SMART Fabrication par Lasers ultracourts des fonctions optiques 3D dans les chalcogénures avec contrôle adaptatif spatio-temporel intelligent. Applications en spectroscopie intégrée pour l’astrophysique IR – SMART_LASIR

Building on partners expertise, the program follows different axis of innovation (materials-fabrication-design-performance tests-devices) which defines the actions of the project. It includes: -Material elaboration -Fundamental investigation of laser structural changes, definition of control factors -Development of diagnostic methods for rapid feedback -Adaptive beam engineering for parallel processing and beam corrections -Design, fabrication and testing 3D complex functions validating SWIFTS concept.

We address the possibility of developing 3D optical functionalities in MIR for validating concepts of integrated spectrometry in astronomy. The impact is in fabrication with a strong component of adding to the present state of knowledge. A performant 3D ultrafast laser photoinscription technology in chalcogenide glasses will be developed. The approach is based on ultrafast laser techniques with self-adjusting spatio-temporal capabilities for upgraded optimal interaction. Achieving control on matter transformation by energetic beams has beneficial consequences for material processing and results are anticipated in areas like fundamental knowledge, new processing methods, development of micro and nanosystems with optical functions. We target specifically optical materials that respond in the MIR range astronomy bands, enabling concepts of optical integration in astrophotonics instrumentation. Impact is expected concerning laser functionalization of bulk optical infrared chalcogenide materials as well micro and nano-structuring approaches integrated in new productive processes. These techniques are conceived to generate new matter properties based on synergies with material response, unfolding perspectives for “intelligent”, feedback-assisted processing of materials.

Achieved results:
-Material elaboration. Definition of Chalcogenide glasses with high laser-generated index contrast
-Definition of an automated photoinscription setup with spatio-temporal control.
-Optical design of large mode area guides and MIR guiding.

The scientific and technical benefits lie in solutions that are time-effective, yet precise and reconfigurable to material and optical design, with impact in material elaboration, processing and optical design. The method is a unique and potentially efficient method for 3D optical functionalization in bulk materials. The extrapolation towards MIR ensures a tremendous scientific and technological potential for material processing.

Articles:

1. Cheng et al. Opt. Lett.38, 1924 (2013)
2. Bai et al. Appl. Opt. 52, 7288 (2013)
3. R. Stoian Opt. Mat. Express 3, 1756 (2013) –invited review
4. K. Mishchik et al. J. Appl. Phys. 114, 133502 (2013) - review
5. X. Long et al. Opt. Lett. 37, 3138 (2012)
6. A. Mathis et al, Appl. Phys. Lett., 101,071110 (2012)

Conferences:
1. R. Stoian Conference on Laser Ablation, Ischia 2013
2. R. Stoian Femtomaching Workshop, Cargese, 2013 [invited]
3. R. Stoian Seminaire CEA-DAM [invited]
4. F. Courvoisier et al, CLEO/Europe 2013, Munich, Germany (12-16th May 2013), talk CM5.5 (2013) [invited]

Une forte demande existe aujourd'hui en astrophotonique pour les fonctions optiques avancées en gamme infrarouge. Elle concerne les études de l’univers, notamment le suivi des traceurs moléculaires organiques. L'effort de miniaturisation vise particulièrement le secteur de la spectroscopie multiplexée 3D, se détachant des technologies planaires actuelles. La possibilité de fabriquer des fonctions micro-optiques intégrées pour la spectroscopie est considérée comme une percée majeure, avec un intérêt spécifique dans les verres chalcogénures IR (ouverture bande N). Ainsi, le spectromètre à ondes stationnaires à transformée Fourier (SWIFTS), basé sur des franges interférométriques permet la détection dans la gamme MIR astrophysique. Sa conception compacte exige le développement, le transport, et la lecture en temps réel d'un champ modulé stationnaire portant des informations spectrales, i.e. plusieurs fonctions optiques embarquées sur la même puce. Concevoir des fonctions intégrées de transport de lumière et des points diffusifs est essentiel pour accéder au champ évanescent. Pour cela, l’usinage 3D par laser ultrabref de composants optiques par modification dans la masse de matériaux transparents offre des perspectives uniques. Les changements localisés d'indice de réfraction permettent d'ajouter des fonctions spécifiques (guide de lumière, dispersion, ou diffraction) dans des dispositifs optiques compacts. La nature intégrée sans parties mobiles fournit une stabilité intrinsèque à la phase. Les défis actuels de fabrication imposent plusieurs conditions: rendement, précision, flexibilité et une irradiation entraînant une réponse optimale du matériau. Les solutions répondent aux conceptions optiques complexes des appareils photoniques. Ceci implique que l’interaction physique et sa dimensionnalité soient correctement contrôlées.
Le projet propose une technique de pointe pour la fabrication 3D par laser avec des spécificités d’adaptation spatial et temporel, couplant la flexibilité 3D en parallèle, à des conditions optimales d'interaction. En regroupant l'expertise dans l'élaboration du matériau, en fabrication par laser, en conception optique et en métrologie, nous visons le traitement optimal 3D des chalcogénures pour des applications astrophotoniques; en particulier pour la spectroscopie miniaturisée intégrée. L'objectif est de concevoir des modifications structurelles dans le matériau avec des propriétés guidantes ou de diffusion, ciblant des fonctions optiques dans le MIR, en particulier le transport de lumière dans le système SWIFTS avec amélioration de l’échelle et de l’efficacité. L’approche offre la régulation du résultat physique de l’interaction sur des motifs structurés et des géométries d’irradiation avec une précision ultime grâce aux systèmes d’irradiation adaptatifs impliqués. Des avantages majeurs peuvent être identifiés : Le contrôle intelligent de l’énergie délivrée, régulée dans des boucles adaptatives, permettra un gain significatif de qualité. Des conditions constantes en profondeur seront possibles de par une correction de la propagation de faisceau. Le résultat sera visible en terme de contraste équilibré de l'indice, des changements d'indice positifs et négatifs, et des dimensions de trace permettant des guides monomode à faible perte dans des motifs flexibles. De plus, des recettes de fabrication efficaces seront développées en utilisant des procédés parallèles, multi-faisceau et à haut-rendement, et des concepts non diffractifs, basés sur une mise en forme spatiale. Un design dédié et des tests de performance adjoints aux procédés de production assureront leur fonction spectroscopique. Le but est d’atteindre un haut degré de contrôle sur les modifications du matériau pour l’ingénierie de l’indice de réfraction, en corrélant synergétiquement l’irradiation et les propriétés du matériau pour des traitements optimaux. Il s’agit ainsi d’une forte avancée vers la fabrication de systèmes embarqués performants.