INSCRIPTIONS DANS LES VERRES BGG PAR DES IMPULSIONS DE 380 FS

Nous venons de voir les résultats d’inscriptions dans les verres BGG avec des impulsions de 85 fs à une longueur d’onde de 800 nm. Nous allons exposer dans cette partie les résultats d’inscriptions avec le deuxième montage d’inscription, avec des impulsions de 380 fs à longueur d’onde de 1030 nm. Les paramètres explorés sont l’énergie des impulsions et le nombre de passages du faisceau laser. Le taux de répétition du laser est quasiment identique par rapport au montage d’inscription précédent (249 kHz), mais d’autres essais d’inscriptions ont aussi été réalisés à 500 kHz et 1 MHz. Les caractéristiques

étudiées sont la variation d’indice de réfraction ainsi que la taille des structures. Deux échantillons ont été testés : le BGG65 et l’échantillon purifié FBGG65.

2.3.1. Inscriptions dans l’échantillon BGG65

Des structures en lignes droites, espacées au minimum de 50 µm, ont été inscrites en focalisant le faisceau laser à 150 µm sous la surface de l’échantillon avec un objectif de microscope (Mitutoyo, 50x, O.N. = 0,45). Après les inscriptions, l’échantillon est poli sur ses faces latérales pour préparer l’observation au microscope optique et aux mesures de ∆n. On étudie dans un premier temps l’effet d’un seul passage du faisceau laser par ligne photo- inscrite. Les ∆n et largeurs des structures sont représentées à la Figure 2.14 pour une vitesse de translation de 1 mm/s et un taux de répétition des impulsions de 249 kHz. Les ∆n maximaux atteints de cette manière (~0,006) sont comparables à ceux obtenus avec des impulsions plus courtes et un objectif avec une ouverture numérique légèrement plus grande (0,55). Les tailles des structures produites sont aussi sensiblement les mêmes pour une énergie donnée.

En revanche, la fenêtre d’inscription n’est pas aussi étendue. En effet, au-delà de 0,6 µJ, on obtient des micro-explosions qu’on peut observer dans le cas du guide d’onde inscrit avec plusieurs passages à la Figure 2.16. Avec la première installation d’inscription [85 fs; 800 nm] le seuil d’apparition des micro-explosions est de ~1 µJ pour une vitesse de translation de 1 mm/s. Le paramètre variant le plus entre les deux configurations d’irradiation est la durée d’impulsion, qui est multipliée par ~4,5. La longueur d’onde est aussi différente, passant de 800 nm à 1030 nm, ce qui affecte la focalisation (diffraction) ainsi que l’absorption multiphotonique, dont la section efficace diminue quand la longueur d’onde augmente. Également, les contributions relatives des différents ordres de non linéarité ne sont pas nécessairement les mêmes pour des irradiations de longueurs d’onde 800 nm ou 1030 nm. Ceci peut ainsi conduire à des absorptions multiphotoniques dominantes impliquant un nombre différent de photons pour les longueurs d’onde 800 nm ou 1030 nm.

Figure 2.14 : (a) Variation d’indice de réfraction et (b) largeur des structures en fonction de l’énergie des impulsions de lignes photo-inscrites dans l’échantillon BGG65 (1030 nm; 380 fs; 249 kHz). La fréquence de répétition est de 249 kHz et la vitesse de translation est de 1 mm/s.

Figure 2.15 : (a) Variation d’indice de réfraction en fonction du nombre de passages du faisceau laser par ligne photo-inscrite dans l’échantillon BGG65 et (b) images des sections transverses de deux guides d’onde observés au microscope optique (objectif 50x). La ligne blanche représente 20 µm. Laser : 1030 nm; 380 fs; 249 kHz

On a également étudié l’effet du nombre de passages du faisceau par ligne inscrite. À la Figure 2.15-a on a représenté la variation d’indice de réfraction en fonction du nombre de passages à une vitesse de translation de 1 mm/s, pour différentes énergies d’impulsion. La fréquence de répétition des impulsions est toujours de 249 kHz. Contrairement au cas précédent (section 2.2), on arrive cette fois-ci à augmenter significativement l’indice de réfraction, en particulier pour les plus faibles énergies : pour une énergie par impulsion de 0,34 µJ, on peut passer d’un ∆n de ~0,0045 pour 1 passage à un ∆n de ~0,008 pour 40 passages. Néanmoins, par rapport aux expériences similaires réalisées dans le BGG65

avec le montage d’inscription à impulsions sub-100 fs, les énergies par impulsions utilisées ici sont faibles. Il serait utile de refaire cette expérience avec des énergies par impulsion plus faibles et vérifier si on observe une augmentation du ∆n avec le nombre de passages du faisceau laser.

En ce qui concerne la forme des structures, elles sont similaires à celles obtenues avec des impulsions plus courtes, comme on peut le voir à la Figure 2.15-b. On note toutefois que le deuxième point de focalisation dû à l’astigmatisme semble causer un changement d’indice plus important : on voit nettement que le guide d’onde « secondaire » guide la lumière blanche du microscope. On observe toujours la chute de ∆n au centre du guide d’onde pour les énergies et les nombres de passages grands.

La Figure 2.16 montre des images de phase de trois lignes inscrites avec les mêmes paramètres lasers, mais des nombres de passages du faisceau laser différent, de 1 à 40. La ligne à 1 passage est un guide d’onde « normal », mais les lignes à 5 et 40 passages contiennent beaucoup de micro-explosions qui diffusent fortement la lumière. L’irradiation par les impulsions femtoseconde a donc un effet d’incubation, ou de mémoire [102], qui abaisse le seuil de dommage du verre. On observe dans le cas des lignes avec des micro- explosions que la variation d’indice de réfraction mesurée est très nettement supérieure que pour les guides d’onde sans micro-explosions. On mesure des ∆n pouvant dépasser 0,02, mais a priori, la forte diffusion empêche le guidage de la lumière.

Figure 2.16 : Images de différence de chemin optique en vue de dessus de trois guides d’onde inscrits dans l’échantillon BGG65 et mesures de variation d’indice de réfraction associé.

de 1 et 10 mm/s et des impulsions de 0,17 à 0,31 µJ. Dans ces conditions d’inscription, les structures obtenues sont similaires à celles obtenues à un taux de répétition de 249 kHz, mais l’augmentation du taux de répétition a pour effet de réduire la fenêtre d’énergie pour laquelle on obtient des ∆n supérieurs à 0,003. L’augmentation du taux de répétition a aussi pour effet d’abaisser le seuil d’apparition des micro-explosions. Avec un taux de répétition du laser de 0,5 MHz et une vitesse de 1 mm/s, on a un ∆n supérieur à 0,003 pour des énergies par impulsions comprises entre 0,25 et 0,29 µJ (contre 0,34 et 0,56 pour un taux de répétition de 249 kHz). Au-delà, des micro-explosions apparaissent. Avec un taux de répétition de 1 MHz, la fenêtre est encore réduite, voire inexistante, car on observe seulement des ∆n inférieures à 0,001 ou des micro-explosions.

2.3.2. Inscriptions dans l’échantillon FBGG65

Nous avons reproduit le même type de test d’inscription pour l’échantillon de verre BGG purifié. Seul un taux de répétition de 249 kHz a été utilisé. Les ∆n et largeurs des structures inscrites avec un seul passage du faisceau sont représentées à la Figure 2.17 pour une vitesse de translation de 1 mm/s. Comme dans le cas impulsions de 85 fs à 800 nm, les ∆n obtenus avec des impulsions de 380 fs à 1030 nm sont plus faibles, avec un maximum de ~0,003. La fenêtre d’obtention de ces modifications est sensiblement la même que pour l’échantillon BGG65. Les largeurs des structures sont légèrement inférieures que pour l’échantillon de BGG65 pour des conditions d’irradiation égales.

Figure 2.17 : (a) Variation d’indice de réfraction et (b) largeur des structures en fonction de l’énergie des impulsions de lignes photo-inscrites dans l’échantillon FBGG65. La fréquence de répétition est de 249 kHz et la vitesse de translation est de 1 mm/s.

L’évolution du ∆n en fonction du nombre de passages du faisceau à une vitesse de 1 mm/s dans l’échantillon FBGG65 est présentée à la Figure 2.18-a. On constate une nette augmentation du ∆n, notamment pour les plus faibles énergies. Pour des impulsions de 0,37 µJ on passe d’un ∆n de 0,0025 à 0,0045 après 40 passages du laser. On a donc une modification de l’indice de réfraction plus importante que pour les expériences avec des impulsions de 85 fs à 800 nm.

En ce qui concerne la forme des structures, elles sont similaires à celles obtenues avec des impulsions plus courtes, comme on peut le voir à la Figure 2.18-b. On observe toujours la chute de ∆n au centre du guide d’onde pour les énergies et les nombres de passages grands, avec une répartition transversale non homogène du ∆n.

Figure 2.18 : (a) Variation d’indice de réfraction en fonction du nombre de passages du faisceau laser par ligne photo-inscrite dans l’échantillon FBGG65 et (b) images des sections transverses de deux guides d’ondes observés au microscope optique (objectif 50x). La ligne blanche représente 20 µm