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...