CE30 - Physique de la matière condensée et de la matière diluée

Optique Non Linéaire Ultrarapide des Cristaux Liquides – UNLOC

Optique non linéaire ultra-rapide des crisatux liquides

L'objectif principal du projet UNLOC est le développement d'une nouvelle installation expérimentale, dédiée à l'optique non linéaire ultra-rapide dans des matériaux nouveaux et complexes. Composé d'une source femtoseconde énergétique, d'une mise en forme temporelle par OPA et / ou de systèmes de post-compression et d'outils spectroscopiques adéquats, il sera consacré à l'étude des cristaux liquides (LC) en deux mésophases, et étendu aux matériaux photoréfractifs.

Plateforme pour l'optique non linéaire ultra-rapide : cristaux liquides complexes pour la manipulation non linéaire d'impulsions femtosecondes

La manipulation d'impulsions femtosecondes dans les cristaux liquides a longtemps été occasionnelle. Notre récente activité a révélé leur utilisation pour le façonnage temporel des impulsions ultrabrèves. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives en instrumentation femtoseconde et fournissent une nouvelle vision de la dynamique des cristaux liquides. Une extension naturelle est la prise en compte des effets optiques non linéaires. Le projet UNLOC se consacre à l'optique non linéaire ultrarapide dans les cristaux liquides. L'utilisation de telles impulsions donne accès à la dynamique temporelle ultra-rapide des non-linéarités et facilite l'obtention d'une intensité-crête élevée pour l’excitation de processus d’ordre élevé. Les applications sont la mise en forme spectro-temporelle des impulsions femtosecondes ainsi que la structuration de la matière molle. Ce projet soutiendra l'indépendance scientifique de la coordinatrice et permettra l'élargissement de sa plate-forme femtoseconde pour l'étude non linéaire de nouveaux matériaux complexes.

La première phase du projet consiste à développer la plateforme pour l'optique non linéaire ultra-rapide. Il peut être vu comme une extension du laboratoire commun SOFTLITE, vers une intensité de crête plus élevée, des impulsions plus courtes et d'autres gammes spectrales. Il repose sur la caractérisation de la source femtoseconde de puissance moyenne élevée nouvellement acquise (PHAROS, conversion de lumière), délivrant 1030nm, 6W, 190fs et des impulsions avec un taux de répétition réglable entre 1 kHz et 1 MHz. Dans le cadre de l'UNLOC, une post-compression de cette source, par exemple un raccourcissement d'impulsion par auto-modulation de phase, sera configurée afin d'atteindre un régime d'impulsions plus court (durée d'impulsion <40 fs), et donc des impulsions d'intensité de crête plus élevées seront disponibles. L'acquisition d'un amplificateur paramétrique optique est aussi envisagée.
Dans un second temps, les investigations scientifiques seront menées avec la nouvelle plateforme sur différents échantillons de LC et de PRC. Les échantillons LC seront réalisés par l'équipe du projet, qui possède toutes les compétences techniques et les équipements pour la réalisation pratique de dispositifs LC dans différentes mésophases et différentes architectures (entraînement électrique, épaisseur, dopant….). En ce qui concerne le PRC, nous avons déjà en laboratoire plusieurs cristaux de SBN, LiNbO3: Fe et KNbO3: Fe. Si nécessaire, d'autres échantillons peuvent être facilement acquis (voir par exemple Rainbow Photonics).

- Dispositif de mesure monocoup de la dispersion chromatique
- Nouvelle méthode de spectroscopie non linéaire, basée sur la mesure du décalage transitoire de fréquence porteuse pendant un effet non linéaire dégénéré et instantané
- Dynamique temporelle et spectroscopie des termes du tenseur Chi3 des cristaux liquides nématiques
- Etude des mécanismes d'endommagement des films suspendus de cristaux liquides nématiques en régime femtoseconde

Nous espérons étendre les connaissances fondamentales sur la non-linéarité de la matière molle grâce à nos expériences de spectroscopie ultrarapide. De plus, les applications potentielles incluent la mise en forme non linéaire d'impulsions femtosecondes ainsi que la personnalisation non linéaire du milieu considéré. Bien que très innovant, ce projet est à faible risque, compte tenu de l’expertise complémentaire de l’équipe du coordinateur et de nos résultats récents et prometteurs liés à l’optique linéaire ultra-rapide dans les cristaux liquides.
À la fin du projet, une nouvelle installation expérimentale dédiée à l'optique non linéaire ultra-rapide sera pleinement opérationnelle à InPhyNi. De plus, nous aurons acquis le savoir-faire pour manipuler et quantifier l'optique non linéaire ultra-rapide dans les cristaux liquides et les cristaux photo-réfractifs. Ce savoir-faire mènera au développement et à la fiabilisation de la prochaine génération de dispositifs à cristaux liquides pour la technologie ultrarapide. Le projet renforcera alors la position française à la pointe de la compétition internationale pour ce domaine de recherche émergent.

1. « Broadband Spectral Domain Interferometry for Optical Characterization of Nematic Liquid Crystals », V. M. di Pietro and A. Jullien, Applied Sciences (2020).
« Ultrafast nonlinear spectroscopy of nematic liquid crystals via transient frequency-shift detection », E. Neradovskaia, G. Cheriaux, C. Claudet and A. Jullien, to be submitted

L'optique non linéaire est omniprésente dans les technologies des lasers femtosecondes intenses, et rassemble de nombreuses techniques expérimentales pour le façonnage temporel, spectral et spatial des impulsions ultra-courtes. Les milieux non linéaires classiquement utilisés sont les cristaux et les gaz.
Les cristaux liquides présentent des propriétés optiques remarquables, telles qu’une forte biréfringence et non linéarité, de même que la capacité de les modifier et contrôler avec des paramètres externes. En dépit de ces qualités exceptionnelles, la manipulation directe d'impulsions femtosecondes dans des dispositifs à cristaux liquides a longtemps été occasionnelle.
Notre récente activité, au sein du laboratoire commun SOFTLITE, entre l'Institut de Physique de Nice et la société FASTLITE, a déverrouillé l’utilisation de cristaux liquides nématiques épais pour la manipulation et le façonnage temporel des impulsions ultracourtes. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives en instrumentation femtoseconde et fournissent en même temps de nouveaux outils pour l'étude la dynamique des cristaux liquides. Une extension naturelle est ainsi la prise en compte des effets non linéaires. Le projet UNLOC se consacre donc à l'optique non linéaire ultrarapide dans les cristaux liquides, à travers l’installation d’une nouvelle installation femtoseconde, ainsi qu’une étude détaillée des effets non linéaires d’ordre deux et trois dans les cristaux liquides. Nous prévoyons d’étudier différentes phases des cristaux liquides (nématique et cholestérique). L’extension aux matériaux photo-réfractifs est aussi planifiée. L'utilisation d’impulsions femtosecondes donne accès à la dynamique temporelle ultra-rapide des non-linéarités et facilite l'obtention d'une puissance-crête élevée. Des connaissances fondamentales sur la spectroscopie ultra-rapide des différents tenseurs non linéaires des matériaux sont attendues. Les applications visées sont la mise en forme spectro-temporelle non linéaire des impulsions femtosecondes ainsi que la structuration de la matière molle.
A la fin du projet, une nouvelle installation expérimentale dédiée à l'optique non linéaire femtoseconde existera à l'Institut. De plus, l'équipe de la coordinatrice aura acquis la maîtrise des effets non linéaires dans les cristaux liquides en régime impulsionnel ultra-rapide. Les conclusions du projet permettront d’envisager la nouvelle génération de dispositifs à cristaux liquides pour la technologie femtoseconde.
Enfin, ce projet soutiendra l'indépendance scientifique de la coordinatrice et permettra de positionner son équipe en pointe de la compétition internationale démarrant sur ce nouveau sujet de recherches.

Coordinateur du projet

Madame Aurélie JULLIEN (Institut de Physique de Nice)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

InPhyNi Institut de Physique de Nice

Aide de l'ANR 282 465 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2019 - 36 Mois

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