Propagation de vortex optiques en milieu photoréfractif: application à la génération de guides optiques
Résumé
This work deals with the generation and handling of optical vortices, ie laser beams holders of a phase singularity providing an orbital angular momentum. The aim is to induce optical waveguides in photorefractive materials such as lithium niobate while also understanding the physical interactions between vortices and the non linear environment. The layout and manipulation of optical vortices are used here to achieve waveguides in massive materials. New technologies-wise, they could process information through new interconnections components. Our solution is based on the principle of spatial optical solitons, invariably propagating beams which can be obtained via an appropriate nonlinear interaction. Photorefractive spatial solitons are associated with a refractive index modulation by the Pockels effect that induces a waveguide in an optical material with the same profile as the soliton's. We propose here to use an efficient material in the field of optoelectronics, the lithium niobate (LiNbO3).
We first introduce the basics and the state of the art on solitons and on optical vortices and their applications are also featured. Then the principles involved in this work are detailed. On one hand, the mathematical formalism defining vortices and methods for obtaining them are described. On the other hand, the different physical mechanisms participating to the formation of solitons in photorefractive materials are described. We then expose the well-known numerical models describing the phenomenons, detailing their strengths and imperfections. A new three dimensional and time numerical model incorporating variables previously neglected is proposed for a better understanding of the behavior of vortices in lithium niobate doped iron. In Chapter Four, we highlight the good agreement between this new model and the experimental observation of the influence of crystal anisotropy on the propagation of a vortex in a photorefractive-photovoltaic according to parameters such as the orbital momentum of the vortex and the directions of propagation and polarization with respect to crystallographic axes of LiNbO3. In the last chapter, the results obtained in the previous one are used to define the optimal experimental conditions to form a quasi-vortex soliton in two dimensions, inducing a structure confining light in the material. In addition, the first experimental complex structures optically induced by vortices with multiple charges are presented.
The new numerical model developed in this thesis may be used to go into details of dislocation mechanisms and dynamics of optical vortex related to the presence of multiple phase singularities.
We first introduce the basics and the state of the art on solitons and on optical vortices and their applications are also featured. Then the principles involved in this work are detailed. On one hand, the mathematical formalism defining vortices and methods for obtaining them are described. On the other hand, the different physical mechanisms participating to the formation of solitons in photorefractive materials are described. We then expose the well-known numerical models describing the phenomenons, detailing their strengths and imperfections. A new three dimensional and time numerical model incorporating variables previously neglected is proposed for a better understanding of the behavior of vortices in lithium niobate doped iron. In Chapter Four, we highlight the good agreement between this new model and the experimental observation of the influence of crystal anisotropy on the propagation of a vortex in a photorefractive-photovoltaic according to parameters such as the orbital momentum of the vortex and the directions of propagation and polarization with respect to crystallographic axes of LiNbO3. In the last chapter, the results obtained in the previous one are used to define the optimal experimental conditions to form a quasi-vortex soliton in two dimensions, inducing a structure confining light in the material. In addition, the first experimental complex structures optically induced by vortices with multiple charges are presented.
The new numerical model developed in this thesis may be used to go into details of dislocation mechanisms and dynamics of optical vortex related to the presence of multiple phase singularities.
Ce manuscrit porte sur la génération, la mise en forme et la manipulation de vortex optiques, c'est à dire de faisceaux laser porteurs de singularités de phase les dotant d'un moment orbital angulaire. Nous les utilisons pour photoinduire des guides optiques dans des matériaux photoréfractifs tels que le niobate de lithium tout en s'attachant à la compréhension physique des interactions vortex/milieu photoréfractif. La mise en forme et la manipulation de vortex optiques s'inscrit ici dans la perspective de réalisation de systèmes guidants dans des matériaux massifs. Liés aux nouvelles technologies, ils pourraient permettre de traiter l'information via de nouveaux composants d'interconnections. Notre solution est basée sur le principe des solitons optiques spatiaux, faisceaux invariants en propagation qui peuvent être obtenus via une interaction non linéaire appropriée. Les solitons spatiaux photoréfractifs sont associés à une modification de l'indice de réfraction du matériau par effet Pockels qui induit un guide optique au sein du matériau ayant le même profil que le soliton. Nous utilisons ici un matériau qui a fait ses preuves dans le domaine de l'optoélectronique, le niobate de lithium (LiNbO3).
Nous présentons d'abord les notions de base relatives aux solitons et les différents moyens permettant de les obtenir. Les vortex optiques et leurs applications sont également introduits. Plus précisément, le formalisme mathématique définissant les vortex et les méthodes pour les obtenir sont décrits. D'autre part, les différents mécanismes physiques intervenant dans la formation de solitons spatiaux dans les matériaux photoréfractifs sont détaillés. Un nouveau modèle numérique intégrant des variables auparavant négligées est proposé pour une meilleure compréhension du comportement du vortex dans le niobate de lithium dopé fer que les modèles numériques utilisés jusqu'alors. Nous mettons ensuite en évidence le bon accord entre ce nouveau modèle numérique et l'observation expérimentale de l'influence de l'anisotropie du cristal sur la propagation d'un vortex en milieu photoréfractif-photovoltaïque en fonction de paramètres tels que le moment orbital du vortex et les directions de propagation et de polarisation par rapport aux axes cristallographiques du LiNbO3. Enfin, les résultats obtenus dans le chapitre précédent sont mis à profit pour définir les conditions expérimentales optimales permettant d'obtenir un quasi-soliton noir en deux dimensions induisant une structure capable de guider et confiner la lumière dans le matériau. De plus les premiers résultats expérimentaux de structures guidantes plus complexes induites optiquement avec des vortex de charges multiples sont présentés.
Le nouveau modèle numérique développé dans le cadre de cette thèse peut-être utilisé afin d'étudier de façon plus approfondie la dynamique des mécanismes de dislocation de vortex optiques lié à la présence de singularités de phases multiples.
Nous présentons d'abord les notions de base relatives aux solitons et les différents moyens permettant de les obtenir. Les vortex optiques et leurs applications sont également introduits. Plus précisément, le formalisme mathématique définissant les vortex et les méthodes pour les obtenir sont décrits. D'autre part, les différents mécanismes physiques intervenant dans la formation de solitons spatiaux dans les matériaux photoréfractifs sont détaillés. Un nouveau modèle numérique intégrant des variables auparavant négligées est proposé pour une meilleure compréhension du comportement du vortex dans le niobate de lithium dopé fer que les modèles numériques utilisés jusqu'alors. Nous mettons ensuite en évidence le bon accord entre ce nouveau modèle numérique et l'observation expérimentale de l'influence de l'anisotropie du cristal sur la propagation d'un vortex en milieu photoréfractif-photovoltaïque en fonction de paramètres tels que le moment orbital du vortex et les directions de propagation et de polarisation par rapport aux axes cristallographiques du LiNbO3. Enfin, les résultats obtenus dans le chapitre précédent sont mis à profit pour définir les conditions expérimentales optimales permettant d'obtenir un quasi-soliton noir en deux dimensions induisant une structure capable de guider et confiner la lumière dans le matériau. De plus les premiers résultats expérimentaux de structures guidantes plus complexes induites optiquement avec des vortex de charges multiples sont présentés.
Le nouveau modèle numérique développé dans le cadre de cette thèse peut-être utilisé afin d'étudier de façon plus approfondie la dynamique des mécanismes de dislocation de vortex optiques lié à la présence de singularités de phases multiples.