Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay

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

Photosensibilité des silices au laser femtoseconde (B. Poumellec, M. Lancry, Thomas Billotte, Jing Lao, Jing Tian, 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 moins spécifique. 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/SP2M/ICMMO/UPSud.
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 10E-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 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 2011 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.

Mise en évidence de propriétés circulaires où il ne devrait pas y en avoir ! Violation de parité ?

Nous avons prouvé que le laser femtoseconde qui produit un faisceau a priori achiral (polarisation linéaire du laser), est capable de briser l’achiralité d’un matériau comme le verre de silice, même sous une géométrie d’expérience achiral (l’incidence normale) : c’est une violation apparente de parité. Le résultat probant est celui exposé en fig. 1-2 montrant des ellipticités très nettes pour une énergie par impulsion dépassant un seuil. Un article dans la revue prestigieuse Light Science and Applications du groupe Nature a été publié en 2016.

 

Fig 1
Fig2-1
Fig2-2
Fig2-3
Fig2-4
Fig. 1 Degré de polarisation circulaire de l'atténuation en fonction de la longueur d'onde de la sonde, mesurée en dessous et au-dessus du seuil d'énergie T2 de l’apparition de la biréfringence de forme. Conditions d'écriture du laser: 800 nm, durée d'impulsion de 160 fs, taux de répétition : 250 kHz, ouverture numérique NA : 0,55, vitesse d'écriture: 500 µm/s, profondeur focale : 192 µm, espacement des lignes : 3 um, 0,07 J (en dessous de T2) et 1.3 J (au dessus de T2, les configurations sont Xx et Xy i.e. écriture horizontale et polarisation du laser d’écriture horizontale ou verticale)
Fig.2: Degré de polarisation circulaire de l'atténuation en fonction de la longueur d'onde de la sonde et en fonction de l’énergie de l’impulsion pour les conditions suivantes du laser: 1030 nm, durée d’impulsion : 300 fs, fréquence de répétition : 500 kHz, ouverture numérique: 0.6, vitesse d’écriture : 500 µm/s, profondeur focale : 192 µm, espacement des lignes : 3 µm (configuration Xx i.e. balayage et polarisation du laser d’écriture horizontale).

 

Photoprécipitation de nanocristaux par laser femtoseconde et orientation : vers une nouvelle science des matériaux par laser
On connaît mieux comment maîtriser une cristallisation par laser en contrôlant la température et la durée d’irradiation. La température se contrôle par l’énergie par impulsion et leur fréquence de répétition. La durée, quant à elle, se contrôle par la vitesse de balayage du faisceau de manière à ce que la courbe de refroidissement traverse le domaine de cristallisation. Le profil spatial quasi stationnaire est, lui, définie uniquement par les propriétés physico-chimiques du verre (aux vitesses de balayage que nous utilisons).

Un objectif plus important pour les applications et fondamentalement nouveau, est d’utiliser la lumière pour maîtriser l’orientation des nanocristaux lors de leur précipitation dans des verres. Ce serait un moyen de modifier encore plus largement les propriétés optiques linéaires et non-linéaires et de fonctionnaliser en 3D des substrats vitreux. Obtenir leur orientation permet de produire localement des propriétés non-linéaires dans des guides optiques avec des biréfringences, par ailleurs, maîtrisées. C’est la possibilité d’aller vers l’élaboration de véritables carte-mères tout optique et qui plus est, en 3D.
L’idée est de mettre à profit les forces induites par le champ électrique de la lumière lors du chauffage produit par le laser lui-même. Les forces agiraient sur le dipôle électrique du nanocristal lors de sa croissance et le chauffage serait contrôlé par l’énergie dans l’impulsion et sa fréquence de répétition.
Pour cela, nous avons d’abord considéré les verres de la famille Li2O-Nb2O5-SiO2.

Fig8
Fig9
Fig 8: Evolution de la cristallisation dans la section de la trace laser en fonction de l’énergie : nanocristaux dont l’axe c (polaire) est perpendiculaire à la direction de balayage laser pour les basses énergies, et microcristaux dont l’axe c est parallèle à la direction de balayage laser pour les hautes. Pour cette série, la polarisation du laser est parallèle à la direction de balayage. Ces mesures ont été réalisées en EBSD grâce à la collaboration avec le groupe de métallurgie de l’équipe SP2M et à la plateforme technique de l’ICMMO (F. Brisset).
Fig.9 : Pour une polarisation du laser parallèle à la direction de balayage laser, les résultats sont ceux présentés à côté. On a montré que cette polarisation intervient dans la qualité et l’orientation des cristallisations. Pour une polarisation du laser perpendiculaire à la direction de balayage laser, les cristaux sont petits et d’orientations quelconques.

 

On voit que l’orientation change avec l’énergie de l’impulsion, mais aussi avec la polarisation du laser et c’est là découverte importante.
FigX

 

 


Pour en savoir plus

B. POUMELLEC, M. LANCRY, R. DESMARCHELIER, E. HERVÉ AND B. BOURGUIGNON. Parity violation in chiral structure creation under femtosecond laser irradiation in silica glass. In press in Light Science and Applications (Nature group) (2016) 5, e16178; doi:10.1038/lsa.2016.178

J. CAO, B. POUMELLEC, F. BRISSET, A.-L. HELBERT, M. LANCRY. Tunable angular dependent second harmonic generation in glass by controlling femtosecond laser writing polarization. J. Optical Society of America B Vol.33 (4) 2016, 741.

B. POUMELLEC, M. LANCRY, R. DESMARCHELIER, E. HERVE, F. BRISSET AND J.C. POULIN. Asymmetric Orientational Writing in glass with femtosecond laser irradiation. Optical Materials Express Vol. 3, Iss. 10, pp. 1586–1599 (2013)

M. LANCRY, B. POUMELLEC, J. CANNING, K. COOK, AND F. BRISSET. Ultrafast nanoporous silica formation driven by femtosecond laser irradiation. Laser and Photonics Review: 2013 vol.7, 953-962, DOI: 10.1002/lpor.201300043.

C. FAN, B. POUMELLEC, M. LANCRY, X. HE, H. ZENG, A. ERRAJI-CHAHID, Q. LIU, and G. CHEN. 3D photo-precipitation of oriented LiNbO3 crystals in silica based glass with femtosecond laser irradiation. Optics Letters Vol. 37 Issue 14, pp.2955-2957 (2012).

J. CANNING, M. LANCRY, K. COOK, A. WEICKMAN, F. BRISSET, AND B. POUMELLEC, "Anatomy of a femtosecond laser processed silica waveguide [Invited]," Opt. Mater. Express 1, 998-1008 (2011) http://www.opticsinfobase.org/ome/abstract.cfm?URI=ome-1-5-998.

M. LANCRY, B. POUMELLEC, A. ERRAJI-CHAHID, M. BERESNA AND P.G. KAZANSKY Dependence of the femtosecond laser refractive index change thresholds on the chemical composition of doped-silica glasses, Optical Materials Express, Vol. 1 Issue 4, pp.711-723 (2011).

B. POUMELLEC , M. LANCRY, A. ERRAJI-CHAHID and P. G. Kazansky. Modification thresholds in femtosecond laser processing of pure silica: Review of dependencies on laser parameters. Optical Materials Express, Vol. 1 Issue 4, pp.766-782 (2011).

B. Poumellec, M. Lancry, J.-C. Poulin, S. Ani-Joseph. Non reciprocal writing and chirality in femtosecond laser irradiated silica. Optics Express, (2008) 16,(22) 18354-18361. http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?URI=oe-16-22-18354.

H. ZENG, B. POUMELLEC, C. FAN, G. CHEN, A. ERRAJI-CHAHID AND M. LANCRY, (2011). Preparation of glass-ceramics with oriented nonlinear crystals: a review. Advances in Materials Science Research. Volume 12 "Crystal Growth / Book 2", ISBN 979-953-307-668-2. P.1-55. Nova Science.

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)

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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)

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.



 

 
22 Novembre, 2017