Mechanisms of nanogratings formation and erasure in oxide glasses by femtosecond laser direct writing
Mécanismes de formation et effacement des nanoréseaux dans les verres d'oxyde par écriture directe laser femtoseconde
Résumé
Nanogratings are the smallest "self-organized" structures ever created by light inside transparent materials. They were observed for the first time in 2003 inside silica glass and induced by femtosecond (fs) laser irradiation. They have drawn considerable attention over the last decades due to their unique properties. They are birefringent, with a neutral axis orientable in space through light polarization, can induce dichroism or circular birefringence, exhibit excellent thermal stability and a highly selective chemical etching. Consequently, they have shown promise in technological areas, including optical data storage, 2D/3D birefringent optical devices, sensing in harsh environments, microfluidics, etc. These nanogratings are composed of nanoporous layers, mostly observed in silica and silicate glasses. A series of works have shed light on the role played by physical glass properties (softening temperature, thermal diffusivity, etc.) on their formation and erasure during the laser writing process. Moreover, the understanding of formation mechanism directly impacts the ability to inscribe nanogratings in a controlled way, as well as improve the fundamental physics and chemistry at play during complex light-matter interaction. This understanding could thus be generalized to all optical glasses, and in this context the main objective of this work is to decipher the relationship between glass composition and nanogratings formation window. Additionally, better control of the anisotropic properties associated with fs laser induced modifications (sign, amplitude, orientation, losses) is possible, provided the nanogratings formation and erasure mechanisms are well understood. In this thesis, we first discuss the effect of glass viscosity on nanogratings existence using the Rayleigh-Plesset equation. It is established that viscosity is a key property to consider, and we propose a related approach to determine a theoretical temperature domain of their existence provided a series of assumptions are satisfied (thermal confinement and associated pressure induced). The latter approach is experimentally validated using a large number of oxide glasses (commercial and laboratory ones) by investigating the nanogratings processing window in a repetition rate - pulse energy landscape. Following this work, the internal structuring of the nanogratings inside silica is investigated by high resolution electron microscopy techniques. Observations at the nanoscale reveal that nanoplanes are intrinsically made of regularly spaced nanoplanes, oriented perpendicular to the light polarization, and where oblate nanopores line up to form the nanoplanes. These nanoporous layers are organized by light through thermomecanical solicitations and assisted by a plasma mediated nanocavitation process. Under isochronal thermal annealing experiments, the erasure of nanopores created during the laser irradiation is strongly correlated to the temperature dependence of the glass viscosity. Finally, such an erasure can be predicted for any time-temperature process, provided the hypothesis remains valid. It becomes possible to anticipate and model nanogratings lifetime in many commercial glasses and extending it well beyond silica glass.
Les nanoréseaux sont les plus petites structures « auto-organisées » jamais créées par la lumière dans le volume d'un matériau transparent. Ils ont été observés pour la première fois en 2003 à l'intérieur d'un verre de silice, et induits au moyen d'une irradiation par laser femtoseconde (fs). Ils ont suscité un grand intérêt ces dernières années en raison de propriétés particulières. Ils sont biréfringents, avec un axe neutre orientable dans l'espace grâce à la polarisation du laser fs. Ils peuvent également induire une biréfringence circulaire et un dichroïsme, présentent une stabilité thermique extraordinaire, et permettent une attaque chimique hautement sélective. En conséquence, ces nanostructures suscitent un intérêt dans des domaines tel quel le stockage optique de données, les dispositifs optiques biréfringents 2D ou 3D, les capteurs en environnement extrême, la microfluidique, etc. Ces nanoréseaux sont constitués d'un assemblage de couches nanoporeuses principalement observées dans la silice et les verres riches en silice. Plusieurs travaux ont pu mettre en évidence l'effet des propriétés physiques du verre (température de ramolissement, diffusivité thermique, etc.) sur leur processus de formation et d'effacement au cours de l'irradiation. En outre, l'importance de comprendre les mécanismes de formation réside dans la capacité de les produire de manière contrôlée, ainsi que d'acquérir une compréhension fondamentale plus approfondie des interactions complexes lumière-matière. Cette compréhension permettrait une généralisation dans tout type de verres optiques. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est de mettre en évidence le lien entre la composition chimique des verres et la fenêtre d'inscription des nanoréseaux. De plus, nous sommes intéressés à mieux comprendre les mécanismes de formation et d'effacement des nanoréseaux pendant l'irradiation, afin de contrôler les propriétés optiques anisotropes associées à ces transformations (signe, amplitude, orientation, pertes associées). Premièrement, nous discutons de l'impact de la viscosité du verre sur leur existence à l'aide de l'équation de Rayleigh-Plesset. Il est établi que la viscosité est une propriété clé à considérer, et proposons un domaine d'existence des nanoréseaux grâce à une approche basée cette dernière, en faisant une série d'hypothèses sur les conditions de confinement thermique et de pression pendant l'irradiation. L'étude de la fenêtre d'existence dans un paysage taux de répétition - énergie d'impulsion pour un grand nombre de verres d'oxyde (commerciaux et réalisés en laboratoire), valide l'approche proposée, où la fenêtre théorique est bien corrélée à son équivalent expérimental. Ensuite, nous analysons la nanostructure interne des nanoréseaux par des techniques d'imagerie en microscopie électronique à haute résolution, rendant ainsi compte de leur formation à l'intérieur de la silice. Ces investigations à l'échelle nanométrique révèlent que leur structure intrinsèque est composée de nanopores aplatis, façonnés en nanoplans, régulièrement espacés et orientés perpendiculairement à la polarisation du laser. Ces couches nanoporeuses sont organisées par la lumière sous des effets thermomécaniques via un processus de nanocavitation assisté par le plasma. D'après les observations obtenues par des expériences de recuit en conditions isochrones, l'effacement des nanopores créés lors de l'irradiation laser est également fortement lié à la dépendance de la viscosité du verre à la température. Finalement cet effacement peut être prédit pour un processus temps-température quelconque. Ainsi, il devient possible de d'anticiper la durée de vie des nanoréseaux dans différents verres commerciaux, étendant ainsi notre travail bien au-delà de la silice.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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