Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay

Laboratoire de Physico-Chimie de l'Etat Solide - LPCES

1 : Photosensibilité des silices au laser femtoseconde (B. Poumellec, M. Lancry, C Fan, X. He, H. Zeng, A. Erraji-Chahid, A. Weickman).

Pour suivre l'activité de l'ANR FLAG, voir : www.flag.u-psud.fr

Vers la maîtrise du tenseur d'indice de réfraction.

L’apparition des sources lasers à impulsion ultra courte a ouvert depuis quelques années des perspectives très importantes dans la structuration des matériaux. Du fait de l’interaction ultra courte de forte puissance, l’énergie est déposée très localement et les dommages autour du point d’impact sont faible. Cette particularité en fait un outil avantageux pour la modification à haute densité des matériaux. Par ailleurs, l’énergie pic très intense de l’impulsion conduit à des absorptions multiphotoniques qui ne dépendent moins de la composition du matériau. L’utilisateur possède alors un outil plus général. Enfin, du fait de l’interaction non-linéaire, la limite classique de diffraction peut être dépassée et une écriture submicronique est possible avec un laser dans le visible.
Les figures ci-dessous montrent la détermination des seuils d’interaction en fonction de la composition chimique du verre de silice (coll. LOA, ENSTA, école polytechnique).







Coordinator
The FLAG project coordination is provided by the group MAP/LPCES/ICMMO/UPS.
B. Poumellec DR CNRS and Matthieu Lancry MCF

Partners
LPPM/ISMO/UPS (also RTRA and PRES partner), B. Bourguignon DR CNRS : http://www.ismo.u-psud.fr/spip.php?rubrique30
LISV/UVSQ (also PRES partner), E. Hervé Pr: http://www.lisv.uvsq.fr/
Thales Research and Technology, B. Loiseau Dr : http://www.thalesgroup.com/
CPMOH/UB1, E. Freysz et L. Canioni : http://www.cpmoh.cnrs.fr/SLAM/

Associated
3S Photonics : www.3Sphotonics.com

 Context

The project is to master femtosecond laser – glass interaction in the view to achieve applications from a newly appearing technology i.e. 3D direct shaping of optical properties in silica-based glasses by means of femtosecond laser. The interaction of this kind of laser with silica-based glasses is such that laser-induced refractive index change can be as large as 10-2 (the most achievable at this date by any available method) in any glasses, the linear birefringence can be as large as 80% (a unique feature), the attenuation can be as low as a dB/cm (can be improved) but the writing speed can be as large as 1 cm/s! And, on top of that, this is made locally in 3D due to high non-linear interaction. These features lead to think to tremendous progress in photonics with such a flexible tool. Especially, we think that we will be able to show the possibility for achieving adapted optical small components to transform any beam characterized by a set of parameters in its section like  where  corresponds to a point in the beam cross section,  is the wave vector at this point,  is the polarisation vector and I is the intensity, into any other one having different set of parameters.

The scientific and technical objectives of this project, for the four years ahead, are as follows:

Characterize: Characterization of photo-induced structural changes and related properties. At this step, the material structure will be analyzed from the micrometer scale, down to nanometer scale and its optical properties. At the end of this stage, the boundaries of relevant parameters of the beam (polarization, repetition rate, pulse duration, beam concentration, asymmetric spectral beam) will be determined.
Rationalize: understanding the interaction mechanisms between the femtosecond laser and silica-based glasses sufficiently in order to reach a rational on the limitation of a given effect against the laser parameters and other problem parameters. For instance, for birefringence property, we will have to make links between structure change and strain-stress field induced in the glass. Then, to make links between structure changes and plasma and finally between plasma structures and light beam parameters.
Innovations: prototypes of 3D integrated optical devices such as optics (retardation plates, Fresnel lens, axicons), 3D waveguides and Volume Bragg grating will be fabricated and characterized in collaboration with industry such as Thales RT, Thales Laser but also SMEs as 3S Photonics in the field of optical telecommunications. On the other hand, we will also study the factors affecting the scattering, and propagation losses in micro-structured materials to unlock the industrial potential of this writing technique. We will seek to fill in patents whenever necessary.



Déformation interne dans le matériau

Position de traits écrits par le laser femtoseconde à 800 nm Ti:Sapphire et plan de coupe pour l’observation.
fig3.2


Cette image est la topographie de la surface le long du plan de coupe. Les niveaux sont codés en fausse couleur. Le niveau haut est blanc-rouge, le niveau bas est bleu-noir. Cette topographie résulte de la relaxation des contraintes induites par les déformations produites par l’absorption de l’énergie lumineuse.
fig3.3




La distribution des effets structuraux est toujours la même quel que soit la polarisation du laser. On peut noter que l’interaction est chiral.

Première microcristalisation orientée réussie dans un verre par laser femtoseconde en Europe!

Nous avons réalisé une percée en début d'année en trouvant comment réaliser une cristallisation local dans un  bloc de verre à base de silice. Un brevet a été déposé au mois d'Aout 2011.

fig3.3

Combinaison d'images MEB (électrons secondaires) et EBSD : les couleurs indiquent l'orientation cristalline
La hauteur de la trace laser est de 7 microns.
Le cristal formé est NbLiO3.


Pour en savoir plus

B. Poumellec, M. Lancry, J.-C. Poulin, S. Ani-Joseph. Non reciprocal writing and chirality in femtosecond laser irradiated silica. Optics Express, 16,(22) 18354-18361. http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?URI=oe-16-22-18354

M. LANCRY, S. GUIZARD, N. GROOTHOFF, W. YANG, B. POUMELLEC, P.G. KAZANSKY, AND J. CANNING, “Femtosecond laser direct processing in wet and dry silica glass,” Journal of Non-Crystalline Solids (2009), 355, 1057-1061

B. Poumellec, L. Sudrie, M. Franco, B. Prade, A. Mysyrowicz. Femtosecond laser irradiation stress induced in pure silica. Optics Express 11(9); 1070-1079. (2003)

L. Sudrie, M. Franco, B. Prade, A. Mysyrowicz, B. Poumellec. Dependence of the femtoseconde laser damage thresholds with the chemical composition of the glass. Bragg Gratings Photosensitivity and Poling. Monterey, CA, USA 1-3 September 2003. Ed. Optical Society of America. . WA4, p. 246-248 (2003).

M. LANCRY, B. DUFAURE AND B. POUMELLEC, “Self-aligned porous nanoplanes photo-induced by IR femtosecond irradiation in silica glass”, XII Conference on the Physics of Non-Crystalline Solids, Foz do Iguaçu, Brasil (September 6 – 10, 2009)

M. LANCRY, B. BOURGUIGNON, B. POUMELLEC. Anisotropic excitation of photo-luminescence in silica exposed to IR femtosecond laser light P. 371, XII Conference on the Physics of Non-Crystalline Solids, Foz do Iguaçu, Brasil (September 6 – 10, 2009)

B. POUMELLEC, M. LANCRY Damage thresholds in femtosecond laser processing of silica: a review, Conference of Optical Society of America. Topical Meeting on Bragg gratings,  Photosensitivity, and Poling in Glass waveguides, topical meeting, 21-24/7/2010, Germany. ISBN 978-1-55752-896-4.

M. LANCRY, F. BRISSET, B. POUMELLEC. In the heart of the nanogratings made up during femtosecond laser irradiation, BWC3, http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?URI=BGPP-2010-BWC3, Conference of Optical Society of America. Topical Meeting on Bragg gratings,  Photosensitivity, and Poling in Glass waveguides, topical meeting, 21-24/7/2010, Germany. ISBN 978-1-55752-896-4.

Enveloppe Soleau. B. POUMELLEC, M. LANCRY. Méthode pour contrôler la précipitation de nanocristaux à l’aide d’un laser femtoseconde. Enregistré par la SAIC de UPS 11 le 27/1/09





 

 
21 octobre, 2011