Structuration Non-linéaire de Verres Oxydes Par Laser Femtoseconde Dans Le Proche Infrarouge PDF Download
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Author: Arnaud Royon Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 0
Book Description
Three-dimensional femtosecond laser structuring has a growing interest because of its ease of implementation and the numerous possible applications in the domain of photonic components. Structures such as waveguides, diffraction gratings, optical memories or photonic crystals can be fabricated thanks to this technique. Its use with oxide glasses is promising because of several advantages; they are resistant to flux and ageing, their chemical composition can easily be changed to fit the well-defined requirements of an application. They can already be found in Raman amplifiers, optical fibers, fiber lasers, and other devices. This thesis is based on two axes. The first axis consists in characterizing the linear and nonlinear optical properties of bulk vitreous materials in order to optimize their composition with a particular application in view. Within this context, the nonlinear optical properties, their physical origins (electronic and nuclear) as well as their characteristic response times (from a few femtoseconds to a few hundreds of picoseconds) are described within the Born-Oppenheimer approximation. Fused silica and several sodium-borophosphate glasses containing different concentrations in niobium oxide have been studied. Results show that the nonlinear optical properties of fused silica are mainly from electronic origin, whereas in the sodium-borophosphate glasses, the contribution from nuclear origin becomes predominant when the concentration of niobium oxide exceeds 30%. The second axis is based on the structuring of materials. Three commercially available fused silica samples presenting different fabrication conditions (therefore distinct impurity levels) and irradiated with a near infrared femtosecond laser have been studied. The laser induced defects have been identified by means of several spectroscopic techniques. They show the formation of color centers as well as a densification inside the irradiated area. Their linear refractive index and nonlinear third-order susceptibility properties have been measured. Moreover, the structuring of fused silica at the subwavelength scale into “nanogratings” is observed and the form of birefringence induced by these structures is discussed. In addition to the fused silica samples, several oxide glasses presenting very distinct chemical compositions have been studied. A sodium-borophosphate glass containing niobium oxide exhibits micro-cracks and nano-crystallites following irradiation. A silicate glass with or without a silver component reveals fluorescent rings or “nanograting” structures. A zinc phosphate glass containing silver also presents fluorescent ring structures, with a size of the order of 80 nm, well below the diffraction limit. Pump-probe microscope techniques have been performed on this glass to investigate the laser-glass interaction. The absorption mechanism is determined to be four-photon absorption. The generated free electron density is ~ 1017 cm-3, which suggests the conclusion that an electron gas rather than a plasma is formed during the laser irradiation.
Author: Arnaud Royon Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 0
Book Description
Three-dimensional femtosecond laser structuring has a growing interest because of its ease of implementation and the numerous possible applications in the domain of photonic components. Structures such as waveguides, diffraction gratings, optical memories or photonic crystals can be fabricated thanks to this technique. Its use with oxide glasses is promising because of several advantages; they are resistant to flux and ageing, their chemical composition can easily be changed to fit the well-defined requirements of an application. They can already be found in Raman amplifiers, optical fibers, fiber lasers, and other devices. This thesis is based on two axes. The first axis consists in characterizing the linear and nonlinear optical properties of bulk vitreous materials in order to optimize their composition with a particular application in view. Within this context, the nonlinear optical properties, their physical origins (electronic and nuclear) as well as their characteristic response times (from a few femtoseconds to a few hundreds of picoseconds) are described within the Born-Oppenheimer approximation. Fused silica and several sodium-borophosphate glasses containing different concentrations in niobium oxide have been studied. Results show that the nonlinear optical properties of fused silica are mainly from electronic origin, whereas in the sodium-borophosphate glasses, the contribution from nuclear origin becomes predominant when the concentration of niobium oxide exceeds 30%. The second axis is based on the structuring of materials. Three commercially available fused silica samples presenting different fabrication conditions (therefore distinct impurity levels) and irradiated with a near infrared femtosecond laser have been studied. The laser induced defects have been identified by means of several spectroscopic techniques. They show the formation of color centers as well as a densification inside the irradiated area. Their linear refractive index and nonlinear third-order susceptibility properties have been measured. Moreover, the structuring of fused silica at the subwavelength scale into “nanogratings” is observed and the form of birefringence induced by these structures is discussed. In addition to the fused silica samples, several oxide glasses presenting very distinct chemical compositions have been studied. A sodium-borophosphate glass containing niobium oxide exhibits micro-cracks and nano-crystallites following irradiation. A silicate glass with or without a silver component reveals fluorescent rings or “nanograting” structures. A zinc phosphate glass containing silver also presents fluorescent ring structures, with a size of the order of 80 nm, well below the diffraction limit. Pump-probe microscope techniques have been performed on this glass to investigate the laser-glass interaction. The absorption mechanism is determined to be four-photon absorption. The generated free electron density is ~ 1017 cm-3, which suggests the conclusion that an electron gas rather than a plasma is formed during the laser irradiation.
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Les verres de phosphates de zinc et gallium contenant de l'argent ont permis des développements originauxau travers de la structuration d'architectures photoniques multi-échelles innovantes en volume, en surfaceou sur fibre, et également à travers l'ingénierie de composition chimique du matériau. Un taux accru d'oxyded'argent permet de maximiser la quantité de paires au sein de la matrice vitreuse lors de la synthèse dumatériau. Ce dimère favorise les processus d'agrégation conduisant à la formation d'espèces lors del'interaction locale entre le verre et le laser femtoseconde infrarouge. Une étude par spectroscopie RPEmenée sur des échantillons irradiés par des sources ionisantes a permis de montrer que le débit de dose estprépondérant quant au contrôle des processus chimiques. Des centres à électron et à trou sont les espècesmajoritairement stabilisées à faible débit de dose, alors que la formation d'agrégats d'argent luminescentsintervient pour des puissances crête élevées typiques des lasers ultra-courts. Le caractère local de lastructuration par Direct Laser Writing a permis de créer des objets 3D originaux. L'analyse fine de ladistribution chimique au sein d'objets fluorescents a permis de montrer clairement une zone de déplétion enions argent au centre. Les effets de migration d'ions depuis le centre du faisceau laser vers le bord externea ainsi été mis en évidence. Le dopage des verres photosensibles par des ions europium a permis de montrerdes effets de synergie entre agrégats d'argent photo-inscrits et lanthanides trivalent. En effet, une exaltationde l'émission de luminescence de ces derniers à l'endroit des structurations laser a été mesurée.
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La demande de compositions de verres adaptées pour des applications optiques dans le domaine spectral du proche infrarouge est en continuelle augmentation. Les verres à base d'oxyde de gallium constituent de bons candidats car ils permettent de combiner de bonnes stabilités thermiques et de fortes polarisabilités et hyperpolarisabilités. Cet oxyde présente également une faible énergie de phonon, ce qui présente un intérêt lorsqu'il est associé à d'autres oxydes lourds pour obtenir une large fenêtre de transparence jusqu'à 6μm dans l'infrarouge. L'étude présentée dans ce manuscrit regroupe les résultats expérimentaux autour de deux systèmes vitreux : x Ga2O3 - (1-x) NaPO3 avec x compris entre 0 et 30 mol% et Ga2O3-GeO2-Na2O-BaO. L'étude de l'introduction d'oxyde de gallium dans le métaphosphate de sodium a permis d'établir des corrélations entre la composition, la structure et les propriétés du verre résultant. Pour les plus faibles concentrations ( 15% Ga2O3), le gallium entre dans le réseau vitreux en sites octaédriques et augmente la dimensionnalité du réseau. Une fois ces sites de coordination saturés, l'excès de gallium remplace les phosphores dans les chaînes, adoptant une géométrie de coordination 4. Pour les fortes concentrations en oxyde de gallium ( 22% Ga2O3), des liaisons Ga-O-Ga se forment, signalant la fin de la région de formation de verre. L'évolution des températures de transition vitreuse ainsi que la réponse optique non-linéaire d'ordre trois suivent particulièrement cette évolution. La matrice vitreuse du système Ga2O3-NaPO3 permet également la formation de guides d'ondes par irradiation laser, ainsi que la formation de nanoréseaux. Dans les systèmes germanogallates de composition Ga2O3-GeO2-Na2O-BaO, la recherche par un plan d'expérience de compositions adaptées à la fabrication de fibres optiques avec un large domaine de transparence dans l'infrarouge a été entreprise. Les transmissions obtenues dans le proche infrarouge atteignent une longueur d'onde de coupure proche de 6 μm et une susceptibilité d'ordre trois cinq fois plus élevée que celle de la silice. Des fibres mono-indice de composition Ga42Ge28Na13Ba17 ont ainsi été obtenues. Ces résultats très prometteurs permettent d'envisager l'utilisation de ce type de matériaux pour des applications en optique guidée dans l'infrarouge.
Author: Kevin Bourhis Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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La focalisation de lasers à impulsions ultra-brèves dans les verres a montré des potentialités importantes pour la structuration des matériaux transparents, permettant d'envisager la réalisation de dispositifs tout-optique en une seule étape. Le développement de nouveaux matériaux vitreux de composition 40P2O5-55ZnO-xAg2O-(5-x)Ga2O3 permet de tirer avantage de la photosensibilité de l'ion Ag+ pour la structuration de propriétés optiques au cœur du matériau. L'augmentation du taux d'oxyde de gallium provoque la dépolymérisation des chaînes phosphates et s'accompagne de la réticulation du réseau vitreux par des polyèdres GaOx (4 ≤ x ≤ 6). La formation de des derniers n'affecte pas les propriétés d'émission lumineuses, qui proviennent des ions Ag+ isolés dans différents sites cristallographiques. L'exposition des verres sous faisceau laser intense provoque la formation de centres-trous Ag2+, responsables d'une luminescence intense, et de pièges d'électrons Ag0. Un traitement thermique consécutif ou simultané à l'irradiation provoque la dissociation de ces espèces, et s'accompagne de la formation d'agrégats moléculaires de la forme Agmx+. L'utilisation d'un laser femtoseconde à haute cadence permet, en combinant création de paires électron-trou et élévation locale de la température, de réaliser des architectures complexes conduisant à la structuration de propriétés optiques.
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La recherche de nouvelles de technologies de rupture pour le développement de systèmes photoniques performants, compacts et à moindre consommation énergétique représente un défi majeur dans le domaine des matériaux. A cette problématique, l'inscription laser directe dans les matériaux vitreux transparents est une approche à fort potentiel. En effet, par modification multi-échelle (du nanoscopique au macroscopique) en trois dimensions, une multitude de fonctionnalités peut être incrémentée par cette technique tout-optique. Une approche novatrice repose sur l'irradiation laser femtoseconde de verres non conventionnels, dont la photosensibilité a été améliorée en amont, dès la conception du verre. Ainsi, dans un verre comportant des ions argent, l'inscription laser directe permet le déploiement de nombreuses fonctionnalités reposant sur la photochimie induite de l'argent, sans pour autant affecter la qualité optique de la matrice vitreuse. Une telle photostructuration permet notamment dans les verres phosphates de générer de nouvelles espèces moléculaires correspondant à des agrégats d'argent. Sur des échelles sub-microniques et en trois dimensions, la formation contrôlée de ces espèces permet la création maîtrisée de plusieurs propriétés optiques à très fort contraste optique : fluorescence, variation d'indice de réfraction, génération de seconde et troisième harmonique, voire développement de nanoparticules métalliques plasmoniques.Les travaux exposés dans cette thèse traitent d'aspects théoriques et technologiques en science des verres, s'articulant autour de la photochimie de l'argent. Premièrement, dans un système vitreux phosphate P2O5 - Ga2O3 - Na2O dopé à l'argent (GPN:Ag), une étude détaillée portant sur les relations structure-propriété a été réalisée. Grâce à cette étude, une corrélation entre la structure vitreuse, l'environnement de l'argent et la photosensibilité des verres a pu être mise en évidence. Deuxièmement, deux compositions du système vitreux GPN:Ag, respectivement de faible et forte photosensibilité, ont été soumises à l'implémentation de deux fonctionnalités : l'inscription laser de structures résilientes aux rayons X et le fibrage de ces verres. L'apport de ces fonctionnalités atteste des fortes potentialités et valeurs ajoutées de cette famille de verre GPN:Ag pour l'élaboration de capteurs intégrés et/ou fibrés de rayons X. Parallèlement, l'étude réalisée entre deux verres phosphates à l'argent avec ou sans ions co-mobiles (sodium, fluor) a permis de mieux appréhender la propriété de réinscription laser, corrélée à la gestion du réservoir d'ions argent. Par approche tout-optique, des périodicités spatiales de 200 à 300 nm ont ainsi pu être obtenues dans une composition GPN:Ag spécialement élaborée. La maîtrise conjointe de la synthèse de verres spéciaux et de la structuration laser, a conduit à la première démonstration de réseaux de Bragg intégrés à des guides d'onde, uniquement sous-tendus par la photochimie de l'argent sous irradiation laser. Troisièmement, un nouveau système vitreux d'oxydes lourds Ga2O3 - Ge2O - K2O (GGK), compatible avec la photochimie de l'argent, a été considéré. Ce système vitreux est très intéressant car il possède une fenêtre de transmission étendue jusque dans l'infrarouge moyen. Par frittage flash de poudre de verre GGK, des pastilles transparentes amorphes et vitrocéramisées de phase non-centrosymétrique KGaGeO4 ont pu être obtenues. Conjointement, l'introduction d'argent dans le verre GGK étant délicate, une étude substituant des ions potassium par du baryum a mis en évidence la stabilisation de l'argent dans la matrice vitreuse. En perfectionnant les rapports cationiques de ces verres GGK avec du baryum, un verre accueillant la photochimie de l'argent a pu être élaboré et photostructuré par laser. Ce nouveau verre ouvre alors le large potentiel de structuration laser à l'argent pour la gamme de longueur d'onde d'intérêt entre 3 et 5 μm.
Author: Marie Vangheluwe Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 199
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La structuration laser femtoseconde de verres d'oxydes est aujourd'hui un domaine de recherche en pleine expansion. L'interaction laser-matière est de plus en plus utilisée pour sa facilité de mise en œuvre et les nombreuses applications qui découlent de la fabrication des composants photoniques, déjà utilisés dans l'industrie des hautes technologies. En effet, un faisceau d'impulsions ultracourtes focalisé dans un matériau transparent atteint une intensité suffisante pour modifier la matière en trois dimensions sur des échelles micro et nanométriques. Cependant, l'interaction laser-matière à ces régimes d'intensité n'est pas encore complètement maîtrisée, et les matériaux employés ne sont pas entièrement adaptés aux nouvelles applications photoniques. Par ce travail de thèse, nous nous efforçons donc d'apporter des réponses à ces interrogations. Le mémoire est articulé autour de deux grands volets. Le premier aborde la question de l'interaction de surface de verres avec de telles impulsions lumineuses qui mènent à l'auto-organisation périodique de la matière structurée. L'influence du dopage en ions photosensibles et des paramètres d'irradiation est étudiée afin d'appuyer et de conforter le modèle d'incubation pour la formation de nanoréseaux de surface. À travers une approche innovante, nous avons réussi à apporter un contrôle de ces structures nanométriques périodiques pour de futures applications. Le second volet traite de cristallisation localisée en volume induite en grande partie par l'interaction laser-matière. Plusieurs matrices vitreuses, avec différents dopages en sel d'argent, ont été étudiées pour comprendre les mécanismes de précipitation de nanoparticules d'argent. Ce travail démontre le lien entre la physicochimie de la matrice vitreuse et le caractère hors équilibre thermodynamique de l'interaction qui influence les conditions de nucléation et de croissance de ces nano-objets. Tous ces résultats sont confrontés à des modélisations de la réponse optique du plasmon de surface des nanoparticules métalliques. Les nombreuses perspectives de ce travail ouvrent sur de nouvelles approches quant à la caractérisation, aux applications et à la compréhension de l'interaction laser femtoseconde pour l'inscription directe de briques photoniques dans des matrices vitreuses.
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Dans le cadre de cette thèse un verre phosphate de zinc dopé avec des cations d'argent a été irradié par laser femtoseconde. Cette irradiation induit l'apparition dans le voxel de focalisation, d'une émission de fluorescence et une génération de second harmonique au sein du verre. La fluorescence a été attribuée à la création d'agrégats fluorescents composé d'une dizaine d'atomes d'argent. Une étude spectrale a été réalisée permettant de distinguer les différents types d'agrégats générés. Par ailleurs, la génération de seconde harmonique est attribuée à la présence d'un champs électrique enterré dans la zone irradié par effet EFISH (electric field induced second harmonic). La direction et la répartition de ce champ électrique, ont été étudié optiquement et conduisent à sa représentation spatiale.Les effets des paramètres expérimentaux, tels que le nombre d'impulsions laser, l'énergie par impulsion, la température du verre et le recuit sur les caractéristiques de la GSH et de la fluorescence, ont été étudiés. Enfin un processus global est proposé, expliquant les différentes étapes de la structuration, de la création du champ enterré par migration d'électrons à la réduction des cations d'argent et la croissance des agrégats.
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NOUS PRESENTONS UNE ANALYSE THEORIQUE ET EXPERIMENTALE DE PHENOMENES DE L'OPTIQUE NON LINEAIRE DU TROISIEME ORDRE POUR DES MILIEUX ISOTROPES DANS UNE CONFIGURATION INTERFEROMETRIQUE TOTALEMENT DEGENEREE. L'ETUDE THEORIQUE DU SIGNAL INTERFEROMETRIQUE A REVELE POUR DES MILIEUX NON RESONNANTS DE NOUVEAUX PROCESSUS COHERENTS QUI AJOUTENT AU SIGNAL UN COMPORTEMENT OSCILLANT AU DOUBLE DE LA FREQUENCE OPTIQUE. CES NOUVEAUX PROCESSUS BAPTISES FRANGES NON LINEAIRES ONT PERMIS UNE ANALYSE DE LA POLARISATION DU TROISIEME ORDRE EN TERMES D'AMPLITUDE ET DE PHASE EN REPOUSSANT LA LIMITE DE LA RESOLUTION TEMPORELLE A L'ECHELLE DE LA PERIODE OPTIQUE. LES MESURES ONT ETE REALISEES AVEC UN INTERFEROMETRE DE MACH ZEHNDER ADAPTE POUR DES MESURES ABSOLUES RESOLUES EN TEMPS. IL EST ALIMENTE PAR UN LASER FEMTOSECONDE A SAPHIR DOPE TITATE. CETTE TECHNIQUE APPLIQUEE D'ABORD A DES VERRES DEDUITES D'UN MODELE THEORIQUE SEMI-EMPIRIQUE RELIANT LES PROPRIETES STRUCTURALES AUX PROPRIETES OPTIQUES. ENFIN, DEUX NIVEAUX D'ANALYSE ONT ETE SUCCESSIVEMENT APPLIQUES A L'ETUDE DE LA DYNAMIQUE NON LINEAIRE RAPIDE DANS DES LIQUIDES. TOUT D'ABORD LA VALEUR MOYENNE DU SIGNAL NOUS A PERMIS D'EXTRAIRE DE FACON PRECISE LA DYNAMIQUE ULTRA-BREVE DANS LE DISULFURE DE CARBONE. ENSUITE, L'ETUDE APPROFONDIE DES FRANGES NON LINEAIRES A REVELE LES RETARDS A L'EXCITATION DES DIPOLES INDUITS DEPENDANT DE LA LONGUEUR D'ONDE
Author: Sébastien Forget Publisher: Springer ISBN: 3642367054 Category : Science Languages : en Pages : 179
Book Description
Organic lasers are broadly tunable coherent sources, potentially compact, convenient and manufactured at low-costs. Appeared in the mid 60’s as solid-state alternatives for liquid dye lasers, they recently gained a new dimension after the demonstration of organic semiconductor lasers in the 90's. More recently, new perspectives appeared at the nanoscale, with organic polariton and surface plasmon lasers. After a brief reminder to laser physics, a first chapter exposes what makes organic solid-state organic lasers specific. The laser architectures used in organic lasers are then reviewed, with a state-of-the-art review of the performances of devices with regard to output power, threshold, lifetime, beam quality etc. A survey of the recent trends in the field is given, highlighting the latest developments with a special focus on the challenges remaining for achieving direct electrical pumping of organic semiconductor lasers. A last chapter covers the applications of organic solid-state lasers.
Author: Barry R. Masters Publisher: SPIE Press ISBN: 9780819461186 Category : Confocal microscopy Languages : en Pages : 236
Book Description
This text guides you through the principles and practical techniques of confocal and multiphoton microscopy. It also describes the historical connections and parallel inventions that resulted in modern techniques of live cell imaging and their use in biology and medicine. You will find comparisons of different types of confocal and multiphoton microscopes, solutions to the problems one would encounter when using various microscopic techniques, tips on selecting equipment, and an extensive annotated bibliography of additional resources.
Author: Arnaud Royon
Author: Arnaud Royon
Author: Jean-Charles Desmoulin
Author: Patricia Hee
Author: Kevin Bourhis
Author: Théo Guerineau
Author: Marie Vangheluwe
Author: Gautier Papon
Author: Lionel Canioni
Author: Sébastien Forget
Author: Barry R. Masters