Activité « Verre et Optique »

L’activité du groupe « Verre et Optique » porte sur l’élaboration de nouveaux composants optiques par une technique de photo-inscription par laser à impulsion ultra-brève dans un verre chalcogénure. Pour appréhender le principe de cette technique, il est nécessaire de connaître quelques caractéristiques des impulsions ultra-brèves. On parle ici d’impulsions dont la durée est de l’ordre de quelques centaines de femtosecondes (1 femtoseconde = 10-15 secondes). Elles présentent des intensités crêtes très élevées, typiquement quelques giga-watt par centimètre carré dans nos expériences (~ 109 W/cm2), mais leur énergie reste faible (10-9 Joules). Lorsqu’une telle impulsion est focalisée dans le verre, des processus optiques non-linéaires vont être induits en raison de ces très fortes intensités, sans que l’énergie soit suffisante pour endommager le verre.

Différents mécanismes initiés par ces processus, vont modifier très localement (sur quelques µm3) l’indice de réfraction du verre. Ainsi, en translatant l’échantillon au travers du point focal du laser, il est possible d’inscrire des canaux de variation d’indice dans lesquels la lumière peut être guidée si la variation d’indice est positive.

Le groupe « Verre et Optique » étudie à la fois, l’origine de la variation d’indice et l’utilisation de cette technique pour la réalisation de guides d’onde.

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Figure 1 : Barreau d’As2S3

Nos travaux portent sur les verres chalcogénures, principalement le diarsenic trisulfide (As2S3) ou des verres à base de germanium, de gallium et de soufre ([xGeS2 – (1-x)Ga2S3], x compris entre 0,7 et 0,9) pouvant contenir également des halogénures alcalins (NaCl, CsCl, …). Ces verres sont utilisés en raison de leur très forte non-linéarité optique et de leur transparence dans l’infrarouge ce qui ouvre la porte à la réalisation de composant dans ce domaine spectral.

Pour comprendre la variation d’indice, il faut s’intéresser à la structure du réseau vitreux. Dans le cas du verre de composition [0,8GeS2 – 0,2Ga2S3], celui-ci est composé de tétraèdre GeS4 partageant soit un sommet soit une arête. Le gallium forme des unités de type éthane (S3Ga-GaS3) et on note aussi la présence de triclusters composés de trois tétraèdres GaS4 partageant un sommet. Ces dernières unités structurales (voir figure ci-dessous) sont très importantes car le résultat de l’irradiation du verre est une augmentation de leur nombre. Ces unités étant plus denses, la variation d’indice photo-induite est positive.

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Figure 2 : Unité structurale de type triclusters de GaS4 responsable de l’augmentation locale de l’indice de réfraction

Pour former un guide à partir de cette variation d’indice, il faut pouvoir en contrôler les paramètres : amplitude et dimensions. Une autre partie de notre travail porte sur cet aspect.

En fait, dans les verres que nous étudions, une impulsion ultra-brève se propage en formant un filament. Ce mode particulier de propagation possède des caractéristiques qui influencent la variation d’indice en y apportant de la symétrie et de l’homogénéité. Grâce aux propriétés intrinsèques des filaments, nous pouvons contrôler l’amplitude de la variation d’indice, par contre, elles en fixent aussi le diamètre. Mais les dimensions de la section transverse des guides peuvent être optimisées en utilisant une approche multi-coeur. Cette stratégie consiste à placer côte à côte sur un maillage hexagonal des canaux de variation d’indice de faible diamètre. Si les canaux sont suffisamment proches, la lumière sera guidée sur l’ensemble de la structure. L’image ci-dessous montre un exemple d’un tel guide. Par cette technique, notre équipe a réalisé des guides présentant des pertes de propagation de 0,11 dB/cm qui sont parmi les plus faibles au monde (pour les guides réalisés par photo-inscription).

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Figure 3 : Exemple de guide multicoeur

Aujourd’hui, notre équipe travaille sur l’élaboration de composants plus complexes comme des séparateurs de faisceaux mais également sur l’extension des résultats précédents vers le domaine spectral de l’infrarouge moyen.

Contact : Pascal Masselin (Pascal.Masselin_AT_univ-littoral.fr)

Notre équipe accueille régulièrement des stagiaires de master, des doctorants ou encore des post-doctorants. Si notre activité vous intéresse, n’hésitez pas à prendre contact.