Pour tester l’autofocalisation dans notre structure, nous avons utilisé un laser continu à λ = 532 nm . Le faisceau du laser est focalisé sur la face d’entrée de l’échantillon à l’aide d’une lentille. La face de sortie du cristal est observée par une caméra CCD via une autre lentille comme illustré sur la figure 4.6.
Figure 4.6 – (a), propagation en régime linéaire à température ambiante. (b), propagation en
régime non-linéaire lorsque la température est élevée.
Initialement, à la température ambiante (20oC), nous observons en sortie un spot de
grande dimension à cause de la diffraction comme illustré sur la figure 4.6-a. Si les condi- tions sont adaptées (température du cristal + puissance du faisceau), au fur et à mesure que l’effet photoréfractif se développe la lumière se confine progressivement. Au final, le faisceau peut former son propre guide d’onde en se propageant avec un profil transver- sal invariant comme le montre la figure 4.6-b. Dans ce régime, un soliton photoréfractif spatiale est formé.
4.4. Étude de l’autofocalisation dans la structure
4.4.2 Études expérimentales
Nous allons ici analyser expérimentalement l’autofocalisation d’un faisceau en présence du canal. Le dispositif expérimental utilisé est représenté sur la figure4.7. Il est composé d’une structure de LiNbO3 comme celui illustré sur la figure 4.5. Nous avons utilisé pour la phase d’écriture un laser de longueur d’onde 532 nm ou une diode laser de longueur d’onde λ = 640 nm de largeur spectrale de 10 nm. Le faisceau est polarisé linéairement selon l’axe ~C du cristal.
Figure 4.7 – Schéma du dispositif expérimental pour analyser l’autofocalisation en présence
d’un canal.
Une lentille convergente avec une focale de 15 cm a été utilisée afin de focaliser le faisceau sur la face d’entrée de l’échantillon. Une autre lentille de focale 5 cm sert à imager la face de sortie de l’échantillon sur une caméra CCD ce qui permet la visualisation et la mesure du profil de faisceau. Un puissance-mètre en sortie du dispositif est utilisé pour mesurer la puissance du faisceau. La structure est placée sur une plaque métallique qui est contrôlée en température par un élément à effet Peltier qui permet d’appliquer une température homogène sur tout le cristal. Cette température est contrôlée avec une précision de ∓0.1oC.
Nous avons commencé les expériences en essayant de générer un guide sous le canal. La dynamique de focalisation observée est présentée sur la figure4.8. Le faisceau polarisé selon l’axe extraordinaire a une puissance de 60µW . Ce faisceau est focalisé sur la face d’entrée du cristal (FWHM : 12.4µm×11µm selon X et Z respectivement), à une distance
supérieure à 200µm de la surface pour qu’il ne traverse pas le canal. 13 t=0.00 min Z X Spot d’entrée 100 µm t=4 min C 11.5x 12.2 µm (d) (f) (e) (g) (h) (a) (b) t=0.00 min t=0.00 min t=3.40 min (c) t=1 min t=2.30 min t=310 min t=3 min (d)
Figure 4.8 – Dynamique observée en sortie d’un échantillon de LiNbO3 de 15 mm de longueur
avec un faisceau de 11µm × 12.4µm (FWHM) injecté dans le cristal (a). Évolution du profil de faisceau en sortie de l’échantillon (b-h). Paramètres : λ = 532nm, P = 60µW , ∆T = 20oC, polarisation extraordinaire.
Pour une température ambiante de Tamb = 20oC (∆T = 0oC), le faisceau diffracte
et donne un diamètre d’environ 130µm en sortie du cristal (figure 4.8-b). Lorsque nous appliquons une élévation de température de 20oC par rapport à la température ambiante,
le faisceau focalise en quelques minutes. Après 4 minutes d’exposition, une focalisation dans les deux directions transverses est visible. Le faisceau en sortie d’échantillon est circulaire et sa taille est proche de la taille à l’entrée (11.5µm × 10µm) (figure 4.8-h).
Dans la suite, nous avons utilisé le même principe que dans l’expérience précédente et les même paramètres, mais cette fois-ci en traversant le canal de 200µm de large (figure
4.9).
Figure 4.9 – Schéma de principe de la réalisation expérimentale de l’autofocalisation d’un
4.4. Étude de l’autofocalisation dans la structure La dynamique de focalisation observée en sortie de l’échantillon est présentée sur la figure 4.10. Tout d’abord, à t = 0 min, l’image de la diffraction du faisceau en sortie du cristal est fortement déformée comme le montre sur la figure 4.10-b. Cette déformation est due à la réflexion de lumière sur la surface supérieure (au dessus) de l’échantillon et sur le fond de la tranchée. Cela implique la présence d’interférences de Lloyd nettement visibles dans l’image obtenue en régime de propagation linéaire (figure 4.10-b).
Spot d’entrée (a) 11X12.4 µm t=0.00min t=3min t=6min t=2min Z X 8 X 9.5 µm (f) (e) (b) (c) (g) (h) (d) t=40s t=4.20min t=5min Diffraction 100 µm C
Figure 4.10 – Dynamique observée en présence d’un canal de 200µm de large, quand un spot de 12.4µm × 11µm (FWHM) est injecté dans le cristal (a). Évolution de profil du faisceau observé
en sortie du cristal (e-g). Paramètres : λ = 532 nm, P = 60µW , ∆T = 20oC, polarisation extraordinaire.
Au fur et à mesure que l’effet photoréfractif se met en place et se développe, le fais- ceau commence à focaliser progressivement. L’autofocalisation est toujours plus marquée selon l’axe ~C du cristal (figure 4.10-d-e). Ensuite, une focalisation dans les deux direc- tions transverses est visible (figure 4.10-f-g). Finalement, une focalisation bien propre et circulaire à la sortie du cristal est obtenue (figure 4.10-h). La taille du spot obtenu est d’environ 8.5µm × 9.4µm (FWHM) selon Z et X respectivement.
Nous observons que le temps de formation du guide d’onde dans cette seconde expé- rience est légèrement plus long que dans la première expérience (figure 4.8). En effet, le temps de réponse de l’effet photoréfractif est inversement proportionnel à l’intensité lumineuse du faisceau [176] et la transmission du dispositif est plus faible que dans la première expérience, en raison des réflexions de Fresnel sur les parois de la tranchée, ce qui explique un temps de formation plus long pour la partie du guide située après le canal.
Dans la suite, nous avons refait l’expérience précédente (figure 4.10) en utilisant les mêmes paramètres expérimentaux mais avec un faisceau polarisé ordinairement. Nous avons observé la même dynamique de focalisation en sortie du cristal comme illustré sur la figure 4.11-b-h. La taille de spot finale obtenue est d’environ 14.5µm × 13.2µm (FWHM). 13 100 µm (a) Spot d’entrée t=2 min t=4 min t=12 min t=11 min t=9 min (d) (e) (f) (g) (c) C t=0.00 min A (b) t=2 min t=14 min 13.2 x14.5 µm X Z (h)
Figure 4.11 – Dynamique observée en présence d’un canal (200µm) en polarisation ordinaire,
quand un spot de 12.4µm × 11µm (FWHM) est injecté dans le cristal (a). Évolution de profil du faisceau observé en sortie du cristal (e-g). Paramètres : λ = 532 nm, P = 60µW , ∆T = 20oC.
Si on compare avec le cas d’une polarisation extraordinaire, on trouve deux diffé- rences : la taille du spot final en polarisation ordinaire est plus grande qu’en polarisation extraordinaire et le temps de réponse avec la polarisation ordinaire est environ 3 fois plus long qu’avec une polarisation extraordinaire. Ces différences sont essentiellement dues au coefficient électro-optique r13 associé à la polarisation ordinaire qui est environ trois fois plus faible que le coefficient électro-optique r33 associé à la polarisation extraordinaire. Comme expliqué en détaille dans le chapitre 3 (3.4.3).
Finalement, nous déduisons pour les deux polarisations, la présence de la tranchée dans la trajectoire du faisceau n’empêche pas l’autofocalisation du faisceau lumineux.