Thermo-optically adressed liquid crystals for ultrafast optic
Cristaux liquides adressés thermo-optiquement pour l'optique ultra rapide
Résumé
This thesis is CIFRE contract conducted as part of the SOFTLITE joint laboratory, a collaboration between
the Institut de Physique de Nice (INPHYNI) and the Fastlite company. The aim of this project is
the development of innovative devices based on thick layer of nematic liquid crystals (LCs) adapted for
spatial and/or spectro-temporal manipulation of femtosecond pulses. In this context, the main objective
of the thesis is to deepen a new type of control of liquid crystal birefringence, which has led to the design
of a new type of spatial light modulator (SLM) : the Thermo-Optical Addressable SLM (TOA-SLM)
patented in 2019. The TOA-SLM is a multi-layer device composed of a thick layer (>50 μm) of thermotropic
nematic LC inserted between a transparent substrate and a metallic layer. The function of this
metallic layer is twofold. Firstly, it allows the absorption of a writing laser to generate heat propagating
by diffusion in the LC layer in order to modulate its optical index. This index modulation is then probed
by a reading laser reflected by the metallic layer. It is therefore a reflective component based on the
thermotropic properties of nematic liquid crystals. This device is ultra-wideband (a proof-of-concept has
demonstrated the modulation of phase of a multi-octave spectral band) and allows for continuous phase
modulation greater than 2π. The first part of this thesis is devoted to the characterization, optimization,
and numerical and experimental dimensioning of the component. This work highlights the difficulty of
obtaining a highly predictive model and leads to the dimensions of an optimal device for phase modulation,
paving the way for a large (2-inch) TOA-SLM with many control points. The second part consists in
verifying the suitability of the component for use with an ultra-short laser source and/or high average
power. This involves firstly identifying the physical mechanisms governing the laser-induced damage
threshold (LIDT) at 1 μm in single-shot and high repetition rate regimes of the LC crystal alone and
then of the complete device. This latter study is then complemented by a chromatic study (0.8 μm to
2.1 μm) of the LIDT and demonstrates the influence of nonlinear effects at interfaces in femtosecond
regime. This entire part leads to a mapping of the TOA-SLM’s operating ranges and validates its use
in ultra-fast optical systems. Finally, the last part involves developing a protocol for arbitrary programming
of the phase generated by the device. Indeed, the models used until now not being predictive, an
approach using a neural network and a deep learning algorithm is chosen. The training is carried out
using experimental data, and the resulting model accurately predicts the writing beam profile necessary
to obtain a target phase. This result validates this approach and also validates the use of the TOA-SLM
as a deformable mirror.
Cette thèse est menée dans le cadre du laboratoire commun SOFTLITE, une collaboration entre l’Institut
de Physique de Nice (INPHYNI) et la société Fastlite. L’objectif de ce projet est le développement de
dispositifs innovants à base de cristaux liquides (LCs) nématiques en couche épaisse adaptés à la manipulation
spatiale et/ou spectro-temporelle d’impulsions femtosecondes. Dans ce contexte, l’objectif
principal de la thèse est d’approfondir un nouveau type de contrôle de la biréfringence des cristaux liquides,
ayant donné lieu à la conception d’un nouveau type de modulateur spatial de lumière (SLM) : le
TOA-SLM (SLM à adressage thermo-optique). Il s’agit d’un composant réflectif basé sur les propriétés
thermotropes des cristaux liquides nématiques. Le TOA-SLM est un dispositif multicouche comprenant
une couche épaisse (>50 μm) de LC nématique thermotrope insérée entre un substrat transparent et une
couche métallique. La fonction de cette couche métallique est d’abord de générer de la chaleur via l’absorption
partielle d’un laser dit d’écriture. La chaleur générée se propage par diffusion dans la couche
de LC, donc l’indice optique est ainsi modulé. Cette modulation d’indice est ensuite sondée par un laser
dit de lecture, réfléchi par la couche métallique. Ce dispositif est ultra-large bande (une démonstration
de principe a permis la modulation de phase d’une bande spectrale multi-octaves) et permet une modulation
de phase continue et supérieure à 2π. La première partie de cette thèse est consacrée à la caractérisation,
l’optimisation et au dimensionnement numérique et expérimental du composant. Ce travail
pointe la difficulté d’obtenir un modèle fortement prédictif et aboutit aux dimensions d’un dispositif
optimal pour la modulation de phase et ouvre la voie au TOA-SLM de grande taille (2 pouces) avec de
nombreux points de contrôle. Une deuxième partie consiste à vérifier l’adéquation du composant pour
la modulation d’impulsions laser ultrabrèves à haute intensité et/ou à haute puissance moyenne. Cela
passe, dans un premier temps, par l’identification des mécanismes physiques régissant le seuil d’endommagement
laser (LIDT) à 1 μm en régime femtoseconde du cristal liquide seul puis du dispositif
complet. Cette démarche est alors complétée par une étude chromatique (0.8 μm à 2.1 μm) du LIDT
et démontre comment cette valeur est limitée en régime femtoseconde par les effets non linéaires aux
interfaces. L’ensemble de cette étude aboutit à une cartographie des plages d’utilisation du TOA-SLM et
valide son utilisation dans des systèmes d’optique ultra-rapide. Enfin, nous développons un protocole
de programmation arbitraire de la phase générée par le dispositif. La difficulté de développer un modèle
théorique fortement prédictif nous conduit à exploiter l’apprentissage via un algorithme de deep
learning. L’entraînement est réalisé à partir de données expérimentales et l’algorithme ainsi obtenu permet
de prédire avec précision le profil du faisceau d’écriture nécessaire à l’obtention d’une phase cible
et valide cette approche.
Domaines
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