Nanostructuration par laser femtoseconde dans un verre photo

Nod’ordre : 3868
THÈSE
présentée à
L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1
École Doctorale des Sciences Physiques et de l’Ingénieur
par Matthieu BELLEC
pour obtenir le grade de
DOCTEUR
Spécialité : Laser, Matière et Nanosciences
Nanostructuration par laser femtoseconde
dans un verre photo-luminescent
Soutenue le : 5 novembre 2009
Après avis de :
M. Eric AUDOUARD Professeur (Université Saint-Etienne) Rapporteur
M. Christophe DUJARDIN Professeur (Université Lyon 1) Rapporteur
Devant la comission d’examen formée de :
Mme Evelyne FARGIN Professeur (Université Bordeaux 1) Président
M. Eric AUDOUARD Professeur (Université Saint-Etienne) Rapporteur
M. Christophe DUJARDIN Professeur (Université Lyon 1) Rapporteur
M. Jean-Pierre DELVILLE Directeur de recherche (CPMOH, Bordeaux) Examinateur
M. Fabrice VALLEE Directeur de recherche (LASIM, Lyon) Examinateur
M. Lionel CANIONI Professeur (Université Bordeaux 1) Directeur de thèse
M. Bruno BOUSQUET Maître de conférence (Université Bordeaux 1) Membre invité
– 2009 –

Remerciements
Ces travaux de thèse se sont déroulés au Centre de Physique Moléculaire Optique
et Hertzienne (CPMOH) à l’Université de Bordeaux 1. Je remercie vivement M. Eric
Freysz, directeur du CPMOH, de m’y avoir accueilli durant ces 3 agréables années.
Je remercie MM. Eric Audouard et Christophe Dujardin qui ont accepté de
rapporter ces travaux. Merci également à Mme Evelyne Fargin et à MM. Jean-Pierre
Delville et Fabrice Vallée d’avoir pris part au jury.
Je tiens à remercier Lionel Canioni pour avoir dirigé ce travail de thèse. Son
ouverture d’esprit, ses qualités scientifiques et sa constante bonne humeur m’ont
permis de travailler dans un cadre idéal pendant ces trois années. Lionel, merci de
m’avoir tant appris et de m’avoir accordé ta confiance.
Je souhaite aussi remercier Bruno Bousquet qui, de près ou de loin, par l’intermé-
diaire de nos nombreuses discussions, a parfaitement su co-diriger cette thèse.
Merci aux actuels membres du groupe SLAM : Amina Ismael (pour son thé à
la menthe typique), Arnaud Royon (pour les nanos et bien plus!), Ayesha You-
nus (pour sa discretion), Gautier Papon (pour m’avoir converti!), Gregoire Tra-
vaillé (pour ses sandwiches à la racletta !), Jean-Christophe Delagnes (pour ses bons
conseils), Laurent Sarger (pour ses bons plans !), Patrick Mounaix (pour sa caverne
d’Ali Baba), Riad Yahiaoui (pour sa gentillesse), Romain Royon (pour qu’il puisse
dire qu’il fait parti de l’équipe !) et enfin le serveur femto2000 (sans qui tout est
possible !). Je remercie aussi les anciens membres (thésard, postdoc, stagiaires) que
j’ai croisé pendant mon passage au laboratoire.
Merci aux membres du CPMOH avec qui j’ai pu interagir (en jouant au fouteballe,
en buvant un café ou en discutant de physique). En particulier, merci aux membres
des différents services du laboratoire (administration, gestion, informatique, élec-
tronique, mécanique et entretien).
Ce travail ne serait rien sans la participation des chimistes et verriers de l’Institut
de Chimie et de la Matière Condensée de Bordeaux (ICMCB), merci à Thierry
Cardinal et Kevin Bourhis (bzh power!).
Je remercie également ma famille et belle-famille pour m’avoir soutenu pendant
ces trois années.
Enfin, mes plus grands remerciements vont à mon fils Malo et ma femme Mar-
guerite à qui je dédie ce manuscrit...
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Table des matières
1 Microstructuration laser et matériaux photosensibles 3
1.1 Quelques notions d’optique non-linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 L’interaction d’un laser femtoseconde avec un diélectrique . . . . . . 6
1.3 La microstructuration par laser femtoseconde . . . . . . . . . . . . 9
1.4 Les matériaux photosensibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5 Le verre photo-luminescent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.6 La photosensibilité linéaire du verre PL . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2 Photosensibilité non-linéaire des verres PL 25
2.1 La photosensibilité non-linéaire dans un verre PL . . . . . . . . . . 25
2.2 L’absorption multiphotonique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3 Mesure du coefficient d’absorption multiphotonique . . . . . . . . . 30
2.4 Evolution temporelle de la densité électronique . . . . . . . . . . . . 36
2.5 Bilan du chapitre 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3 Mécanisme de formation des nanostructures photoinduites 41
3.1 Résultats préliminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2 Analyse à l’échelle nanométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3 Etude des espèces photo-induites par microscopie de fluorescence . . 45
3.4 Mécanisme de formation des agrégats d’argents fluorescents . . . . . 55
3.5 Bilan du chapitre 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4 Propriétés optiques des nanostructures 65
4.1 Spectroscopie de fluorescence des nanostructures . . . . . . . . . . . 65
4.2 Génération de Seconde Harmonique dans les verres PL . . . . . . . 79
4.3 Propriétés non-linéaire d’ordre 3 : génération de troisième harmonique 92
4.4 Absorption par résonance de plasmon de surface . . . . . . . . . . . 98
4.5 Bilan du chapitre 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5 Nanostructuration 3D : application au stockage de données optique103
5.1 Nanostructuration 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.2 Le stockage optique 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.3 Bilan du chapitre 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
A Montage expérimental de structuration par laser femtoseconde 113
A.1 La source laser femtoseconde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
A.2 Sélection d’impulsions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
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