Photoinscription par laser à impulsions ultrabrèves pour des systèmes optiques 3D

Les micro et nanotechnologies actuelles reposent entièrement sur les outils capables de structurer les matériaux avec une précision maximale et le minimum d’effets collatéraux. La radiation laser figure comme un des outils les plus utilisés et étudiés, des applications macroscopiques (soudage, découpe, perçage) aux applications nanoscopiques (photopolymérisation à deux photons, lithographie UV pour la microélectronique). Afin d’augmenter encore la précision atteignable, les impulsions laser ultracourtes femto-picosecondes (10^–15 à 10^–12 s) sont particulièrement étudiées. Le micro-usinage par laser ultrabref est devenu aujourd’hui une technologie performante capable de répondre à de nouveaux défis de structuration de la matière jusqu’à l’échelle nanométrique. Lors de l’irradiation ultrabrève, l’aspect non linéaire de l’excitation et les effets limités de diffusion thermique permettent de concentrer l’énergie photonique à des niveaux inégalés, ouvrant la voie à des applications uniques.

Les efforts de miniaturisation et d’intégration de plusieurs fonctions sur un substrat unique sont directement impactés par ces possibilités. Le domaine d’application par excellence est naturellement celui de la photonique, notamment la transmission et le traitement de données. Le concept de circuit photonique réunissant plusieurs fonctions optiques sur un support monolithique est au centre de développement d’applications. La performance d’un tel dispositif dépend directement de la possibilité de réaliser un design tridimensionnel au sein d’un matériau d’intérêt optique.

L’idée de modification tri-dimensionnelle de matériaux transparents est intrinsèquement liée à l’irradiation par impulsions courtes et ultracourtes dans une gamme de longueurs d’ondes pour laquelle le matériau est lui-même transparent. Il est ainsi possible d’amener l’irradiation laser au point d’impact désiré à l’intérieur du volume sans perte par absorption. La focalisation permet également de concentrer l’irradiation seulement dans la zone à modifier. Cette concentration d’énergie lumineuse permet d’atteindre des intensités extrêmes (de l’ordre du TW · cm^–2) et ce, uniquement dans une zone correspondant approximativement à la distance confocale donnée par l’élément de focalisation (lentille, miroir courbe, etc.) ; le matériau est ainsi ionisé localement par une absorption non linéaire. L’énergie accumulée par les électrons se relaxe ensuite vers la matrice moléculaire du matériau ce qui modifie sa structure et donc ses propriétés optiques. Par conséquent, un changement très localisé de l’indice de réfaction peut être obtenu. Cette modification constitue la brique élémentaire pouvant être reproduite indéfiniment par un déplacement du faisceau laser dans les trois dimensions pour la réalisation de fonctions optiques. Cela offre une technique pertinente et robuste pour la fabrication d’éléments et de fonctions optiques au sein d’un matériau. Bien qu’extrêmement précises pour la structuration en surface et en faible profondeur, les techniques actuelles de photolithographie (parfois accompagnées par échange d’ions) sont difficilement extrapolables dans les trois dimensions et nécessitent une approche couche par couche. Cette méthode aux nombreuses étapes complique drastiquement le procédé en augmentant à la fois le coût et la complexité. Grâce à l’absence de contact et de contrainte, les procédés basés sur les impulsions laser ultrabrèves rendent possibles et simples le design et l’intégration de multiples fonctions optiques dans les trois dimensions. À plus long terme, cette technique sera associée à des méthodes de production de masse et des processus numérisés.

La première démonstration de modification de l’indice de réfraction dans le volume de matériaux transparents par impulsions ultrabrèves a eu lieu dans les années 1990 au sein de l’équipe de Hirao de l’université de Kyoto. Depuis, la thématique de la photoinscription 3D par impulsions ultracourtes a connu un fort développement. Une orientation particulière vers l’échelle nanométrique est à noter, du fait de la capacité des impulsions ultracourtes à concentrer l’énergie au sein du volume focal sur des échelles extrêmes, en deçà de la limite de diffraction. Les hautes intensités ainsi obtenues permettent d’exploiter efficacement les non-linéarités d’absorption et constituent de nouvelles façons de modifier la matière.

L’objectif de cet article est d’effectuer une revue de la technique de design de l’indice de réfraction par impulsions laser ultracourtes et de mettre en lumière tout son potentiel pour la fabrication de composants et de fonctions optiques dans la masse du matériau optique. Dans un premier temps, les mécanismes physiques induisant la modification du matériau faisant suite à l’impact laser sont discutés en indiquant les moyens de contrôler le changement d’indice de réfraction. Puis, sont abordées les techniques d’irradiation avancées les plus performantes en précisant leurs avantages et inconvénients. La génération de fonctions optiques élémentaires (guidage, filtrage) et plus complexes (fonctions actives et passives) à partir du changement local de l’indice de réfraction occupe ensuite le propos. Enfin, la fabrication de divers systèmes est détaillée tels les guides d’onde, les composants filtrants, polarisants et les systèmes optiques intégrés pour des applications actuelles dans le domaine du transport de données, de la détection, de l’optofluidique, de l’astrophotonique et de l’optique quantique.

Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire et un tableau des symboles utilisés.