Nanostructuration par laser femtoseconde dans un verre photo-luminescent

oN d’ordre : 3868
THÈSE
présentée à
L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1
École Doctorale des Sciences Physiques et de l’Ingénieur
par Matthieu BELLEC
pour obtenir le grade de
DOCTEUR
Spécialité : Laser, Matière et Nanosciences
Nanostructuration par laser femtoseconde
dans un verre photo-luminescent
Soutenue le : 5 novembre 2009
Après avis de :
M. Eric AUDOUARD Professeur (Université Saint-Etienne) Rapporteur
M. Christophe DUJARDIN Professeur (Université Lyon 1) Rapporteur
Devant la comission d’examen formée de :
meM Evelyne FARGIN Professeur (Université Bordeaux 1) Président
M. Eric AUDOUARD Professeur (Université Saint-Etienne) Rapporteur
M. Christophe DUJARDIN Professeur (Université Lyon 1) Rapporteur
M. Jean-Pierre DELVILLE Directeur de recherche (CPMOH, Bordeaux) Examinateur
M. Fabrice VALLEE Directeur de recherche (LASIM, Lyon) Examinateur
M. Lionel CANIONI Professeur (Université Bordeaux 1) Directeur de thèse
M. Bruno BOUSQUET Maîtredeconférence(UniversitéBordeaux1) Membre invité
– 2009 –Remerciements
CestravauxdethèsesesontdéroulésauCentredePhysiqueMoléculaireOptique
etHertzienne(CPMOH)àl’UniversitédeBordeaux1.JeremercievivementM.Eric
Freysz, directeur du CPMOH, de m’y avoir accueilli durant ces 3 agréables années.
Je remercie MM. Eric Audouard et Christophe Dujardin qui ont accepté de
merapporterces travaux. Merci également à M Evelyne Farginet àMM. Jean-Pierre
Delville et Fabrice Vallée d’avoir pris part au jury.
Je tiens à remercier Lionel Canioni pour avoir dirigé ce travail de thèse. Son
ouverture d’esprit, ses qualités scientifiques et sa constante bonne humeur m’ont
permis de travailler dans un cadre idéal pendant ces trois années. Lionel, merci de
m’avoir tant appris et de m’avoir accordé ta confiance.
Je souhaite aussi remercier Bruno Bousquet qui, de près ou de loin, par l’intermé-
diaire de nos nombreuses discussions, a parfaitement su co-diriger cette thèse.
Merci aux actuels membres du groupe SLAM : Amina Ismael (pour son thé à
la menthe typique), Arnaud Royon (pour les nanos et bien plus!), Ayesha You-
nus (pour sa discretion), Gautier Papon (pour m’avoir converti!), Gregoire Tra-
vaillé(poursessandwiches àla racletta!),Jean-Christophe Delagnes (poursesbons
conseils), Laurent Sarger (pour ses bons plans!), Patrick Mounaix (pour sa caverne
d’Ali Baba), Riad Yahiaoui (pour sa gentillesse), Romain Royon (pour qu’il puisse
dire qu’il fait parti de l’équipe!) et enfin le serveur femto2000 (sans qui tout est
possible!). Je remercie aussi les anciens membres (thésard, postdoc, stagiaires) que
j’ai croisé pendant mon passage au laboratoire.
Merci aux membres du CPMOH avec qui j’ai pu interagir (en jouant au fouteballe,
en buvant un café ou en discutant de physique). En particulier, merci aux membres
des di!érents services du laboratoire (administration, gestion, informatique, élec-
tronique, mécanique et entretien).
Cetravailneseraitriensanslaparticipationdeschimistesetverriersdel’Institut
de Chimie et de la Matière Condensée de Bordeaux (ICMCB), merci à Thierry
Cardinal et Kevin Bourhis (bzh power!).
Je remercie également ma famille et belle-famille pour m’avoir soutenu pendant
ces trois années.
Enfin, mes plus grands remerciements vont à mon fils Malo et ma femme Mar-
guerite à qui je dédie ce manuscrit...
iTable des matières
1 Microstructuration laser et matériaux photosensibles 3
1.1 Quelques notions d’optique non-linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 L’interaction d’un laser femtoseconde avec un diélectrique . . . . . . 6
1.3 La microstructuration par laser femtoseconde . . . . . . . . . . . . 9
1.4 Les matériaux photosensibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5 Le verre photo-luminescent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.6 La photosensibilité linéaire du verre PL . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2 Photosensibilité non-linéaire des verres PL 25
2.1 La photosensibilité non-linéaire dans un verre PL . . . . . . . . . . 25
2.2 L’absorption multiphotonique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3 Mesure du coe"cient d’absorption multiphotonique . . . . . . . . . 30
2.4 Evolution temporelle de la densité électronique . . . . . . . . . . . . 36
2.5 Bilan du chapitre 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3 Mécanisme de formation des nanostructures photoinduites 41
3.1 Résultats préliminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2 Analyse à l’échelle nanométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3 Etude des espèces photo-induites par microscopie de fluorescence . . 45
3.4 Mécanisme de formation des agrégats d’argents fluorescents . . . . . 55
3.5 Bilan du chapitre 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4 Propriétés optiques des nanostructures 65
4.1 Spectroscopie de fluorescence des nanostructures . . . . . . . . . . . 65
4.2 Génération de Seconde Harmonique dans les verres PL . . . . . . . 79
4.3 Propriétés non-linéaire d’ordre 3 : génération de troisième harmonique 92
4.4 Absorption par résonance de plasmon de surface . . . . . . . . . . . 98
4.5 Bilan du chapitre 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5 Nanostructuration 3D : application au stockage de données optique103
5.1 Nanostructuration 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.2 Le stockage optique 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.3 Bilan du chapitre 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
A Montage expérimental de structuration par laser femtoseconde 113
A.1 La source laser femtoseconde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
A.2 Sélection d’impulsions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
iiiiv TABLE DES MATIÈRES
A.3 Irradiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
A.4 Visualisation et analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
A.5 Microscopie par fluorescence par excitation à 2 photons . . . . . . . 117
A.6 Mesure de transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
A.7 Interférométrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
B Calcul de la concentration en ions du verre PL 121Introduction
L’électronique est définie comme l’art de manipuler les électrons. De la même
façon, l’art de manipuler les photons a été récemment baptisé photonique. Tout
comme l’électron, le photon peut être utilisé pour transporter l’énergie avec l’avan-
tage d’être beaucoup plus « rapide ». Par analogie aux composants électroniques,
des composants photoniques sont utilisés pour transporter, diriger, amplifier et sto-
cker lalumière. Unexemple decomposant photoniquecélèbreest lafibreoptique. A
la manière d’un fil électrique qui permet le transport de l’énergie électrique, la fibre
optique permet de véhiculer l’énergie lumineuse d’un point à un autre. La quête
de la miniaturisation a rapidement amené l’électronique vers la microélectronique
et les circuits intégrés sur silicium – la taille des transistors actuels est de quelques
dizaines de nanomètres. Aujourd’hui, il en va de même pour la photonique : les
fonctions de base d’amplification, de transmission, de commutation peuvent être
réalisées et intégrées à l’échelle nanométrique sur des substrats de silicium ou de
silice. Di!érentes techniques de fabrication sont actuellement utilisées pour réali-
ser ces nanostructures photoniques. Tout d’abord, les méthodes lithographiques [1]
(empruntées à la microélectronique) ou de champ proche optique [2] permettent de
fabriquer, par exemple, des nanostructures métalliques organisées et déposées sur
des surfaces de silicium. Lorsque la lumière se propage dans ce type de nanostruc-
tures, il devient possible de contrôler sa direction, son intensité et même sa vitesse
à une échelle nanométrique [3]! L’utilisation et l’étude du comportement de la lu-
mièredanscesnanostructuresfontappelàdesdomainesémergentsdelaphotonique
comme la nano-optique, la plasmonique ou le domaine des cristaux photoniques [4].
Le principal facteur limitant cette technique est la restriction aux deux dimensions
de l’espace. Récemment, des architectures tridimentionnelles ont été réalisées, mais
sont limitées quant aux motifs réalisables et demandent une instrumentation rela-
tivement lourde [5, 6].
Unautretypedefabricationdestructures photoniquesestlamicrostructuration
assistée par laser femtoseconde infra rouge (IR). L’interaction entre un laser fem-
toseconde IR focalisé et un matériau transparent (e.g. verre,