Published May 14, 2020 | Version v1
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Development of photonics devices in the mid-infrared region photo-induced by femtosecond laser pulses

Description

The mid-infrared region is of great interest for many applications in various fields such as medicine, biology, environment and astronomy. Therefore, there is a need for developing sources and devices operating in this wavelength region, spanning approximately from 2 to 20 μm. The development of these devices involves the development of mid-IR transparent materials and then the optical functionalization of these materials. In the framework of this PhD thesis, we propose to study the fabrication of components in glass of heavy metal oxides (barium, gallium, germanium: BGG), whose interest is the combination of a good transmission (from ∼350 nm to ∼5 μm) and good mechanical and chemical resistances. The technique used for the optical functionalization of this glass is direct inscription by ultra-short pulses. This technique allows a local and permanent modification of a material by focusing pulses of a duration of a few tens or hundreds of femtoseconds, generating very high light intensities and allowing the non-linear absorption of the laser beam energy. The non-linear nature of the interaction allows the inscription of three-dimensional structures in the bulk. Thanks to this technique, we can produce waveguides, microfluidic channels and fluorescent patterns, to name but a few examples. In this thesis, we report a detailed study of femtosecond laser inscription in different types of BGG glasses. We show that it is possible to have a high positive index change, allowing the formation of waveguide-based components for mid-IR. In particular, we present measurements results on waveguides and couplers in the mid-IR, embedded in BGG glass and fused silica. Another type of glass derived from BGG and doped with silver ions is also studied with the femtosecond laser inscription. As observed in other types of oxide glasses, silver ions modify the laser-matter interaction and provide silver-specific properties such as fluorescence, second harmonic generation and surface plasmons resonance. (author)

Abstract (French)

L'infrarouge moyen presente un grand interet pour de nombreuses applications dans des domaines varies comme la medecine, la biologie, l'environnement ou encore l'astronomie. Il y a donc un besoin de sources et de dispositifs fonctionnant dans cette bande de longueur d'onde s'etendant approximativement de 2 a 20 μm. L'elaboration de ces dispositifs passe par le developpement de materiaux transparents dans l'infrarouge moyen puis par la fonctionnalisation optique de ces materiaux. Dans le cadre de cette these de doctorat, nous nous proposons d'etudier la fabrication de composants dans un verre d'oxyde de metaux lourds (baryum, gallium, germanium : BGG), dont l'interet est la combinaison d'une bonne transmission jusque dans l'IR moyen (de ∼350 nm a ∼5 μm) et de bonnes resistances mecanique et chimique. La technique utilisee pour la fonctionnalisation optique de ce verre est l'inscription directe par impulsions ultra courtes. Cette derniere permet de modifier localement - et de maniere permanente - un materiau par la focalisation d'impulsions d'une duree de l'ordre de quelques dizaines ou centaines de femtosecondes, generant des intensites lumineuses tres importantes et permettant l'absorption non-lineaire d'une partie de l'energie du faisceau laser. Le caractere non lineaire de l'interaction permet l'inscription de structures tridimensionnelles dans le volume du materiau. Grace a cette technique, on peut notamment fabriquer des guides d'onde, des canaux de microfluidique et des motifs fluorescents pour ne citer que quelques exemples. Nous rapportons dans cette these une etude detaillee de l'inscription par laser femtoseconde dans differents types de verres BGG. Nous montrons qu'il est possible d'avoir un changement d'indice positif eleve, permettant la formation de composants a base de guides d'onde pour l'IR moyen. En particulier, nous presentons des resultats de mesures sur des guides d'onde et des coupleurs dans l'IR moyen, inscrits dans un verre BGG et dans la silice. Un autre type verre, derive des BGG et dope en ions argents, est egalement etudie dans le cadre de l'inscription par laser femtoseconde. Comme il a ete observe dans d'autres types de verres d'oxydes, les ions argent modifient l'interaction laser matiere et apportent des proprietes specifiques a l'argent : fluorescence, generation de seconde harmonique et resonance de plasmons de surface. (auteur)

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Original title (French)
Conception et elaboration de composants photoniques pour l'infrarouge moyen inscrits par impulsions ultra breves

Publishing Information

Imprint Pagination
159 p.
Report number
FRNC-TH--14304

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Notes
139 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses