Effets de la Biréfringence sur le Guidage Électromagnétique des Structures Produites par un Laser Femtoseconde

III. RÉSULTATS

L’image en microscopie à transmission en coupe transversale de la structure enregistrée dans LiNbO3 montre des régions sombres au centre de la figure indiquée par des flèches à la Fig. 2 a). De plus, deux lignes dans l’image longitudinale de la Fig. 2(b), vue de dessus, indiquent l’enregistrement de deux structures parallèles.

Ces régions sombres sont liées à la diminution de l’indice de réfraction du matériau résultant de l’auto-focalisation avec une puissance laser supérieure au seuil d’effondrement. Les régions claires localisées autour des régions sombres résultent de changements induits par le stress qui augmentent l’indice de réfraction (guide d’ondes de type II).

Comme le cristal de LiNbO3 est biréfringent, des changements d’indice de réfraction peuvent se produire à la fois dans les indices ordinaires et extraordinaires. Les changements structurels, créés dans un régime d’intensité d’enregistrement modérée, augmentent l’indice de réfraction extraordinaire alors que l’indice de réfraction ordinaire diminue. D’autre part, les effets d’absorption non linéaires à des impulsions de haute énergie causent de lourds dommages au matériau, réduisant les deux indices de réfraction et entraînant la zone sombre. En outre, une région biréfringente induite par le stress se forme autour de la région endommagée. Une puissance critique pour la panne de LiNbO3 de 0,3 MW correspondant à une énergie de 0,12 µJ a été rapportée. Par conséquent, comme l’énergie par impulsion de 2 µJ utilisée pour produire les structures de LiNbO3 est supérieure à l’énergie critique pour l’ionisation non linéaire, une filamentation provoquée par un équilibre dynamique entre l’auto-focalisation et la défocalisation du plasma devrait se produire.

Fig. 3 montre des images de la structure enregistrées en LiF capturées par microscopie de transmission. On peut le voir sur la Fig. 3 (a) le profil transversal allongé de la structure, qui résulte de la filamentation attendue due à la méthode d’enregistrement. Contrairement à LiNbO3, la région sombre dans le profil longitudinal du LiF, Fig. 3(b), présente une seule ligne correspondent au guide d’onde inscrit.

Dans le procédé d’enregistrement, le faisceau laser a été lancé sur la surface supérieure du cristal qui correspond également à la face supérieure des images en coupe transversale de la Fig. 2 et 3.

Des images reconstruites qui représentent le profil en champ proche du faisceau sortant des structures inscrites dans LiNbO3 et LiF sont représentées à la Fig. 4. Ces images correspondent aux profils obtenus en contrôlant uniquement le SOP de la lumière incidente, et par conséquent, P2 a été retiré de la configuration. La polarisation de la lumière transmise par P1 était dans les directions V ou H. Les orientations des images de la Fig. 4(a), (b) et 4 (c), (d) sont équivalentes à l’orientation spatiale réelle des cristaux de la Fig. 2(a) et Fig. 3 a), respectivement. En d’autres termes, la face supérieure des images correspond à la surface supérieure du cristal. Figue. 4(a) et 4(b), présentent dans l’axe vertical un profil allongé le long de la profondeur cristalline composé de deux zones principales de guidage. Le profil dans l’axe horizontal montre correspond à la lumière guidée par l’ensemble de la structure. Néanmoins, des modifications du SOP de la lumière incidente décalent la position xy de ces régions.

Les images reconstruites de la Fig. 4(c) et 4(d), présente un profil en champ proche pour le LiF avec une forme plus régulière constituée d’une région principale de maximum d’intensité, donc d’un seul guide d’onde. Des profils de faisceau de la lumière guidée par la structure en LiNbO3 obtenus pour des axes de transmission P1 et P2 à des orientations différentes sont représentés à la Fig. 5 et 6. Pour P1 dans les directions V ou H, P2 a été changé des directions V, 45° et H ou a été supprimé (ϕ).

Pour tous les agencements P1 et P2, l’intensité et la forme du profil du faisceau sont restées constantes comme on peut le voir sur la Fig. 5 c) et 5 d). Sur la Fig. 5(a), le profil sur l’axe vertical (profondeur du cristal) pour P1 aligné à la verticale et P2 absent (vϕ), présente trois pics, également représentés à la Fig. 4 a). Le pic 1, correspond au guidage au niveau de la région la plus interne de la structure dans le cristal qui subit la plus forte diminution d’indice de réfraction due à la focalisation laser lors de l’inscription. Dans la région proche de la surface cristalline se produit une fuite de la puissance guidée vers le milieu externe, pic 3 de la Fig. 5 a). Lorsque les axes de transmission des deux polariseurs sont alignés (VV), l’intensité globale du signal diminue mais le profil présente toujours les 3 pics. Pour la disposition V45°, le signal diminue encore, le pic 3 disparaît presque et le profil ne montre que des pics 1 et 2 de même intensité à peu près. Lorsque les directions P1 et P2 sont orthogonales (VH), un signal de sortie est toujours détecté. Le pic 1 devient moins intense que le pic 2. Par conséquent, le guidage se déplace vers la surface du cristal.

Le profil du faisceau dans l’axe horizontal, Fig. 5(b), présente un pic intense 5, correspondent à l’intensité combinée des trois pics (1, 2 et 3) représentés dans l’axe vertical. Pour les agencements Vϕ et VV, on observe un lobe latéral 4 qui disparaît pour V45° et VH. Les profils horizontaux et verticaux obtenus expérimentalement pour Vϕ, Fig. 5(c) et 5(d), sont reconstruites par addition des profils obtenus pour les configurations VV et VH. Chaque région anisotrope de la structure produite par le laser femtoseconde présente une biréfringence particulière. Par conséquent, pour une lumière incidente polarisée linéairement, chaque région de guidage propage les composantes de champ dans les directions de ses axes de biréfringence. En conséquence, la forme du profil du faisceau change pour différentes orientations de l’axe de transmission P2.

Sur la Fig. 6(a), le profil de faisceau obtenu pour la configuration hϕ présente également trois pics. Cependant, contrairement au profil obtenu pour Vϕ, les pics 2 et 3 sont les plus intenses. Dans ce cas, la lumière se propage préférentiellement dans les régions de guidage à proximité de la surface du cristal. Pour les configurations H45° et HH, le pic 1 disparaît. Pour HV, les pics 1 et 2 ont approximativement la même amplitude et le pic 3 disparaît. Par conséquent, la partie la plus interne de la structure réalisée dans le cristal guide préférentiellement la lumière polarisée linéairement dans la direction verticale. D’autre part, la région proche de la surface guide préférentiellement la lumière polarisée linéairement dans la direction horizontale. De plus, une fuite de la lumière se produit préférentiellement pour la polarisation horizontale.

Le profil de poutre à l’axe horizontal, Fig. 6(b), montre le pic 5 qui correspond à l’intensité combinée des trois pics dans l’axe vertical (Fig. 6 a)). Dans ce cas, le lobe latéral 4 diminue pour HV et HH, et disparaît juste pour V45°.

Pour la lumière incidente polarisée linéairement dans la direction horizontale, le profil de faisceau obtenu sans P2 est reconstruit par addition des profils pour HV et HH, comme illustré à la Fig. 6 c) et 6 d).

Profils de poutres de la Fig. 7 et 8 révèlent la biréfringence induite de la structure inscrite dans le cristal de fluorure de lithium. Comme on peut le voir, le guidage est obtenu même pour des directions orthogonales des axes de transmission P1 et P2, disposition VH.

Fig. 7(a), montre le profil du faisceau à l’axe vertical composé de deux pics principaux. Le pic 2 étant le plus intense, le guidage se fait préférentiellement dans la région de la structure inscrite proche de la surface cristalline pour les configurations Vϕ, VV et V45°. Cependant, pour VH, le guidage se produit dans la région la plus interne du cristal. Dans l’axe horizontal, le profil de faisceau pour Vϕ, VV et V45° présente un pic 4 prononcé avec un lobe latéral 3. Pour VH, le lobe 3 disparaît et le pic 4 se déplace vers la droite. Le profil de faisceau pour Vϕ est reconstruit en ajoutant les profils VV et VH (Fig. 7(c) et 7(d)) comme cela s’est produit avec LiNbO3.

Fig. 8(a) présente le profil de faisceau obtenu avec les configurations Hϕ, HH et H45°. Pour hϕ il y a deux lobes latéraux, 1 et 3. Pour HH et H45°, le lobe 1 disparaît, mais il existe un guidage correspondant au lobe 3. Profils à l’axe horizontal, Fig. 8(b), présentent le pic intense 5 à deux lobes latéraux, 4 et 6 pour toutes les dispositions de P1 et P2. Pour HV dans les deux axes, le pic 2 se divise en deux pics. Le profil de poutre pour Hϕ est également reconstruit en ajoutant les profils HV et HH (Fig. 8 c) et 8 d)).