Soutenance de thèse de Vittorio di Pietro

12/12/2019 Sophia

Cristaux liquides nématiques épais pour l’optique ultra-rapide

Le travail présenté dans cette thèse émane du projet SOFTLITE, une collaboration entre la société FASTLITE (SAS) et le groupe Optique des Cristaux Liquides (OCL) de l’Institut de Physique de Nice (INPHYNI). L’objectif principal de cette collaboration est de développer de nouveaux dispositifs à base de cristaux liquides, reposant sur des cellules nématiques biréfringentes en couches épaisses, pour compléter/remplacer les dispositifs actuels de manipulation, façonnage et mesure d’impulsions laser ultra-rapides. Dans le cadre de cette thèse, très expérimentale, nous présentons ainsi une caractérisation avancée des propriétés électro-optiques de cellules nématiques épaisses (de 25μm à 250μm). Nous démontrons également la possibilité de contrôler ces cellules de manière thermo-optique, ce qui débouche sur un nouveau modulateur spatial de lumière (LC-SLM). Ce dispositif innovant dépasse l’état de l’art des LC-SLM traditionnels et permet de moduler en phase des impulsions laser multi-octave.

Dans un premier temps, la caractérisation des propriétés optiques d’un mélange cristal liquide inconnu est proposée, basée sur l'interférométrie spectrale large bande, pour mesurer la dispersion chromatique de cristaux liquides. La technique permet de déterminer les coefficients qui régissent la variation des indices et indices de groupe en fonction de la longueur d’onde et de la température.

En vue de développer une ligne à retard colinéaire adaptée aux impulsions ultra-rapides, une étude des différentes stratégies de commutation électro-optique des cristaux liquides est proposée. En particulier, une stratégie de commutation ON (excitation par un échelon de tension) est étudiée malgré la présence d'un seuil de tension (transition de Frèedericksz). Une dépendance inattendue de ce seuil avec l'épaisseur des cellules est découverte et deux régimes distincts sont déterminés. Les cellules épaisses (> 75 μm) peuvent commuter avec une tension de démarrage inférieure à ce seuil, avec un gain remarquable en excursion en biréfringence.

Afin de développer les applications dans le proche et moyen infra-rouge, des cellules optimisées pour cette gamme de longueur d’onde ont été fabriquées. Une fois testées, ces cellules montrent une faible absorption laser par l'électrode (ITO), qui contribue à un échauffement local des cristaux liquides. Leur caractère thermotropique induit ainsi un changement des indices de réfraction. Le déphasage induit génère une structure spatiale en anneaux (modulation de phase spatiale). Le déphasage et, par conséquent, l'excursion de biréfringence sont analysés. De là, la température interne de la cellule est également estimée jusqu'à la transition de phase nématique-isotrope.

Cette étude sur la thermotropicité induite optiquement a permis de développer une approche originale d’adressage thermo-optique des cellules. Cette stratégie innovante aboutit au dimensionnement d’un composant réflectif, dans lequel l’absorption de la lumière d’un faisceau d’écriture chauffe les cristaux liquides, tandis qu’un second (faisceau de lecture) est modulé en phase en passant dans la couche de cristal liquide.  Ainsi, un nouveau dispositif optique est développé et breveté : THOR-SLM (modulateur de lumière spatiale thermo-optiquement réfléctif). Trois premiers prototypes sont fabriqués afin de trouver la configuration la plus performante. Les déphasages spatial, spectral et temporel de ces prototypes sont mesurés par interférométrie. Les remarquables propriétés optiques du dispositif sont finalement exploitées : une large acceptation spectrale avec un déphasage important et continu sans pixellisation. En guise de démonstration, THOR-SLM est inséré dans une ligne à dispersion nulle pour le façonnage d’impulsions laser dont le spectre couvre plusieurs octaves. Un façonnage arbitraire sans précédent est démontré sur une largeur de bande spectrale allant du visible au moyen IR, introduisant des valeurs positives/négatives de dispersion de phase jusqu'au troisième ordre. Ces résultats ouvrent la voie à des capacités de mise en forme temporelle d’ impulsions femtosecondes de durée quelques cycles optiques.

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