Thèses (M.Sc.)--Université de Sherbrooke (Canada), 1997. / Titre de l'écran-titre (visionné le 20 juin 2006). Publié aussi en version papier.

Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Université de Bordeaux, Talence, France. / Les objectifs de ce doctorat sont de développer des dispositifs optiques originaux intégrant verres fonctionnalisés et cristaux liquides (CL). Ces travaux comportent deux parties distinctes : un système 1D basé sur la conception de fibres optiques multi-matériaux et un système 2D planaire utilisant des surfaces vitreuses polarisées électriquement. Préalablement, une méthode de caractérisation avancée basée sur la spectroscopie micro-Raman polarisée a été développée dans le but de caractériser l'orientation au sein de ces différents systèmes. Cette approche permet des mesures dans le volume à l'échelle micrométrique. Cette méthode d'imagerie donne également accès aux calculs du paramètre d'ordre et de la fonction de distribution d'orientation pour une évaluation quantitative du degré d'alignement des CL. Le premier système est un atténuateur optique variable (AOV) fibré composite intégrant verre, métal et CL, dont le but est d'utiliser la réponse électro-optique de la mésophase pour moduler la lumière transmise par le cœur de la fibre. Les études par imagerie Raman 3D de l'orientation des CL au sein de capillaires simples ont permis de mettre en évidence une organisation radiale des molécules. Elles sont perpendiculaires aux parois à l'ancrage et se réorientent dans l'axe du capillaire au centre de la cavité. De plus, il a été mis en avant que le degré d'orientation et l'amplitude de réorientation sous champ électrique, paramètres fondamentaux pour un bon fonctionnement de l'AOV, sont très dépendant de la taille du capillaire. Cette étude a donc permis de tirer des conclusions concernant les paramètres géométriques à envisager pour la conception du dispositif final. Le système 2D combine des surfaces de verres microstructurées par poling thermique et des cristaux liquides afin d'induire une organisation périodique de la mésophase, et donc des caractéristiques optiques du système. Un traitement de micro-poling assisté par plasma a été mis au point par l'utilisation d'une grille micrométrique de nickel comme anode. On observe alors une corrélation géométrique entre (i) les modifications de la structure et de la composition du verre sondées par Raman et spectroscopie à rayon X (EDX), (ii) l'emplacement et les composantes des champs statiques figés dans le verre mesurés par génération de seconde harmonique (SHG) et (iii) les domaines d'alignements homéotropes ou planaires des CL. Ces travaux constituent une preuve de concept démontrant qu'un contrôle précis de l'organisation des CL peut être obtenu par la maitrise des propriétés électriques de surface d'un substrat de verre. Ils soulignent également l'importance des décharges plasma contrôlées spatialement le long du motif d'électrode afin de promouvoir les effets de polarisation électrique dans le plan, qui sont essentiels pour appliquer aux CL des alignements planaires. / The objectives of this PhD are to develop original optical devices integrating functionalised glasses and liquid crystals (LC). This work includes two distinct parts: a 1D system based on multi-material optical fibre design and a 2D planar system using electrically polarised glass surfaces. Previously, an advanced characterisation method based on polarised micro-Raman spectroscopy has been developed in order to characterise the orientation within these different systems. This approach allows measurements in the volume at the micrometre scale. This imaging method also provides access to order parameter and orientation distribution function calculations for a quantitative assessment of the degree of LC alignment. The first system is a composite fibre variable optical attenuator (VOA) integrating glass, metal, and LC, whose purpose is to use the electro-optical response of the mesophase to modulate the light transmitted through the fibre core. 3D Raman imaging studies of the LC orientation within single capillaries have revealed a radial organisation of the molecules. They are perpendicular to the walls at the anchorage and reorient themselves in the axis of the capillary at the centre of the cavity. Moreover, it was shown that the orientation degree and the reorientation amplitude under electric field, fundamental parameters for a good performance of the VOA, are very dependent on the capillary size. This study has therefore allowed us to draw conclusions concerning the geometrical parameters to be considered for the design of the final device. The 2D system combines microstructured glass surfaces by thermal poling and liquid crystals in order to induce a periodic mesophase organisation, and thus the optical characteristics of the system. A plasma-assisted micro-poling treatment has been developed by using a micrometric nickel grid as anode. A geometric correlation is then observed between (i) changes in glass structure and composition probed by Raman and X-ray spectroscopy (EDX), (ii) the location and components of static fields frozen in the glass measured by second harmonic generation (SHG), and (iii) the homeotropic or planar alignment domains of LC. This work constitutes a proof of concept demonstrating that a precise control of the LC organisation can be achieved by controlling the surface electrical properties of a glass substrate. They also highlight the importance of spatially controlled plasma discharges along the electrode pattern to promote in-plane electrical polarisation effects, which are essential to induce planar LC alignments.

Les lentilles à cristaux liquides sont l'un des éléments clés de l'optique adaptative. Elles sont activement développées pour les applications d'imagerie dans des domaines tels que la microscopie, la réalité augmentée, l'ophtalmologie et l'astronomie. Ces lentilles offrent plusieurs avantages par rapport aux méthodes traditionnelles, notamment leur ajustabilité et leur adaptabilité. Cependant, certaines limitations subsistent dans leurs performances et leur production, telles qu'une plage de puissance optique limitée, une sensibilité à la température et une complexité de fabrication. Cette thèse contribue à la recherche en cours sur les lentilles à cristaux liquides et leur potentiel de révolutionner l'optique adaptative. En abordant les limitations et en proposant de nouveaux designs, elle ouvre des opportunités pour une imagerie améliorée, une correction de la vision avancée et des dispositifs optiques avancés pour les technologies de nouvelle génération. Dans la section Introduction, la théorie des cristaux liquides et les lentilles à cristaux liquides existantes sont discutées, ainsi que certains aspects importants de leur fabrication. Le Chapitre 1 présente un dispositif à indice de réfraction gradient ajustable électriquement basé sur des électrodes serpentines en oxyde d'indium-étain. Nous démontrons expérimentalement que le dispositif est capable de générer différentes fonctions optiques, notamment des lentilles sphériques standard, des axicons, des lentilles cylindriques et des prismes. L'absence de couche semi-conductrice ou organique faiblement conductrice dans ce design offre un avantage économique significatif, ainsi qu'une fiabilité environnementale et une stabilité thermique accrues pendant son fonctionnement. Le Chapitre 2 détaille un nouveau design d'une lentille à cristaux liquides ajustable électriquement capable de produire une large gamme de formes de fronts d'onde. Cela inclut la modulation de phase de type sombrero, permettant la focalisation de la lumière dans une distribution d'intensité en forme d'anneau, ainsi que des axicons et des lentilles sphériques standard avec une réponse bipolaire (fournissant à la fois des puissances optiques positives et négatives). Ce design présente de nombreux avantages tels qu'une fabrication simple, une petite taille, une consommation d'énergie plus faible, un faible coût. Le Chapitre 3 étend le design précédent (Chapitre 2), en proposant une lentille à cristaux liquides ajustable électriquement capable de créer dynamiquement des profils de fronts d'onde symétriques. Divers fronts d'onde, y compris non monotone, sont prédits théoriquement et démontrés expérimentalement. La performance optique des dispositifs est caractérisée expérimentalement dans un schéma d'imagerie. La lentille proposée peut être intégrée dans des caméras miniatures modernes pour fournir d'énormes avantages en augmentant la qualité des images enregistrées via la génération de formes de fronts d'onde souhaitées, en modifiant le foyer etc. / Liquid crystal lenses are one of the critical elements of the adaptive optics. They are actively developed for imaging applications across fields like microscopy, augmented reality, ophthalmology, and astronomy. These lenses offer several advantages over traditional methods, including tunability and adaptability. However, certain limitations remain in their performance and production, such as a limited optical power range, temperature sensitivity, and manufacturing complexity. This thesis contributes to the ongoing research of liquid crystal lenses and their potential to revolutionize adaptive optics. Addressing limitations and proposing new designs opens opportunities for improved imaging, advanced vision correction, and advanced optical devices for next-generation technologies. In the Introduction section, the theory of liquid crystals and existing liquid crystal lenses are discussed, along with some essential aspects of their fabrication. Chapter 1 introduces an electrically tunable gradient refractive index device based on serpentine electrodes made of indium tin oxide. We experimentally demonstrate that the device can generate diverse optical functions, including standard spherical lenses, axicons, cylindrical lenses, and prisms. The absence of a semiconductor or organic weakly conductive layer in this design provides a significant cost advantage and greater environmental reliability and thermal stability during its operation. Chapter 2 details a new electrically tunable liquid crystal lens design capable of producing a wide range of wavefront shapes, including sombrero-type phase modulation, enabling the focusing of light into a ring-shaped intensity distribution, as well as axicons and standard spherical lenses with bipolar response (providing both positive and negative optical powers). This design has numerous advantages, such as simple fabrication, small size, lower power consumption, and low cost. Chapter 3 extends the earlier design (Chapter 2), offering an electrically tunable liquid crystal lens capable of dynamically creating symmetric wavefront profiles. Various wavefronts, including non-monotonic, are predicted theoretically and demonstrated experimentally. The optical performance of the devices is characterized experimentally in an imaging scheme. The proposed lens can be integrated into modern miniature cameras to provide huge advantages by increasing the quality of recorded images via generating desired wavefront forms, changing the focus, etc.

Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Université de Bordeaux, Talence, France. / Les objectifs de ce doctorat sont de développer des dispositifs optiques originaux intégrant verres fonctionnalisés et cristaux liquides (CL). Ces travaux comportent deux parties distinctes : un système 1D basé sur la conception de fibres optiques multi-matériaux et un système 2D planaire utilisant des surfaces vitreuses polarisées électriquement. Préalablement, une méthode de caractérisation avancée basée sur la spectroscopie micro-Raman polarisée a été développée dans le but de caractériser l'orientation au sein de ces différents systèmes. Cette approche permet des mesures dans le volume à l'échelle micrométrique. Cette méthode d'imagerie donne également accès aux calculs du paramètre d'ordre et de la fonction de distribution d'orientation pour une évaluation quantitative du degré d'alignement des CL. Le premier système est un atténuateur optique variable (AOV) fibré composite intégrant verre, métal et CL, dont le but est d'utiliser la réponse électro-optique de la mésophase pour moduler la lumière transmise par le cœur de la fibre. Les études par imagerie Raman 3D de l'orientation des CL au sein de capillaires simples ont permis de mettre en évidence une organisation radiale des molécules. Elles sont perpendiculaires aux parois à l'ancrage et se réorientent dans l'axe du capillaire au centre de la cavité. De plus, il a été mis en avant que le degré d'orientation et l'amplitude de réorientation sous champ électrique, paramètres fondamentaux pour un bon fonctionnement de l'AOV, sont très dépendant de la taille du capillaire. Cette étude a donc permis de tirer des conclusions concernant les paramètres géométriques à envisager pour la conception du dispositif final. Le système 2D combine des surfaces de verres microstructurées par poling thermique et des cristaux liquides afin d'induire une organisation périodique de la mésophase, et donc des caractéristiques optiques du système. Un traitement de micro-poling assisté par plasma a été mis au point par l'utilisation d'une grille micrométrique de nickel comme anode. On observe alors une corrélation géométrique entre (i) les modifications de la structure et de la composition du verre sondées par Raman et spectroscopie à rayon X (EDX), (ii) l'emplacement et les composantes des champs statiques figés dans le verre mesurés par génération de seconde harmonique (SHG) et (iii) les domaines d'alignements homéotropes ou planaires des CL. Ces travaux constituent une preuve de concept démontrant qu'un contrôle précis de l'organisation des CL peut être obtenu par la maitrise des propriétés électriques de surface d'un substrat de verre. Ils soulignent également l'importance des décharges plasma contrôlées spatialement le long du motif d'électrode afin de promouvoir les effets de polarisation électrique dans le plan, qui sont essentiels pour appliquer aux CL des alignements planaires. / The objectives of this PhD are to develop original optical devices integrating functionalised glasses and liquid crystals (LC). This work includes two distinct parts: a 1D system based on multi-material optical fibre design and a 2D planar system using electrically polarised glass surfaces. Previously, an advanced characterisation method based on polarised micro-Raman spectroscopy has been developed in order to characterise the orientation within these different systems. This approach allows measurements in the volume at the micrometre scale. This imaging method also provides access to order parameter and orientation distribution function calculations for a quantitative assessment of the degree of LC alignment. The first system is a composite fibre variable optical attenuator (VOA) integrating glass, metal, and LC, whose purpose is to use the electro-optical response of the mesophase to modulate the light transmitted through the fibre core. 3D Raman imaging studies of the LC orientation within single capillaries have revealed a radial organisation of the molecules. They are perpendicular to the walls at the anchorage and reorient themselves in the axis of the capillary at the centre of the cavity. Moreover, it was shown that the orientation degree and the reorientation amplitude under electric field, fundamental parameters for a good performance of the VOA, are very dependent on the capillary size. This study has therefore allowed us to draw conclusions concerning the geometrical parameters to be considered for the design of the final device. The 2D system combines microstructured glass surfaces by thermal poling and liquid crystals in order to induce a periodic mesophase organisation, and thus the optical characteristics of the system. A plasma-assisted micro-poling treatment has been developed by using a micrometric nickel grid as anode. A geometric correlation is then observed between (i) changes in glass structure and composition probed by Raman and X-ray spectroscopy (EDX), (ii) the location and components of static fields frozen in the glass measured by second harmonic generation (SHG), and (iii) the homeotropic or planar alignment domains of LC. This work constitutes a proof of concept demonstrating that a precise control of the LC organisation can be achieved by controlling the surface electrical properties of a glass substrate. They also highlight the importance of spatially controlled plasma discharges along the electrode pattern to promote in-plane electrical polarisation effects, which are essential to induce planar LC alignments.

Le contrôle de l'alignement des molécules de cristal liquide a une grande importance technique dans le domaine des afficheurs à cristaux liquides. Ce contrôle passe par une programmation des interactions de surface entre les cristaux liquides et le substrat. Nous proposons une étude du contrôle optique de l'alignement des cristaux liquides grâce à un substrat de mésogène réactif dopé par un colorant azobenzène et traité par un laser argon de polarisation circulaire. Nous nous intéressons également au cours de cette étude à la mouillabilité des cristaux liquides sur le substrat ayant subi le traitement optique. Nous montrons que ce mouillage peut être contrôlé par une exposition laser adéquate. Notre étude met en lumière les interactions à une interface liquide anisotrope-solide anisotrope qui sont d'un grand intérêt aussi bien théorique que pratique.

Cette thèse est consacrée à l'étude de la génération d'ondes acoustiques hautes fréquences par des nanostructures grâce à une impulsion lumineuse ultra-brève. Plus une onde acoustique a une fréquence élevée, plus elle est sensible à de faibles variations au sein du matériau qu'elle traverse. La montée en fréquence va donc permettre l'étude des propriétés acoustiques et mécaniques d'objets de plus en plus petit. L'objet de ce travail est l'étude par acoustique picoseconde de nanostructures permettant la génération d'ondes acoustiques, de surface ou longitudinales, de très hautes fréquences.Afin de pouvoir générer des ondes acoustiques de surface, nous avons étudié les vibrations de réseaux de nanostructures organisées. Un modèle a été mis en place permettant d'étudier ces vibrations collectives et leurs liens avec la génération d'ondes acoustiques de surface. Grâce à ce modèle, nous avons mis au point une méthode de caractérisation mécanique complète de films minces. Nous avons appliqué cette technique à différents matériaux et dans différentes conditions.Les boîtes quantiques ont été utilisées pour réaliser la génération d'ondes acoustiques longitudinales hautes fréquences. La démonstration de la génération d'ondes acoustiques par des boîtes quantiques a été réalisée dans différentes matériaux, puis nous avons mis au point un modèle capable de prédire les conditions expérimentales pour la détection d'ondes acoustiques dont les fréquences dépassent le terahertz. / This thesis is devoted to the study of the generation of high frequency acoustic waves by nanostructures using ultra-short laser pulses. The higher the frequency of an acoustic wave, the more sensitive it is to small changes inside the material it is propagating in. Reaching higher frequencies will allow the study of the elastic and mechanical properties of smaller structures. The aim of this work is the study by the picosecond ultrasonics technique of nanostructures that enable the generation of high frequency surface or bulk acoustic waves. In order to realize the generation of surface acoustic waves, we studied the vibrations of lattices of organized nanostructures. A model has been established to study those collective vibrations and their links to the generation of surface acoustic waves. Thanks to this model, we developed a method to realize the complete mechanical characterization of thin films. We applied this technique to various materials in different conditions.Quantum dots have been used to realize the generation of high-frequency bulk acoustic waves. The demonstration of the acoustic wave generation by quantum dots has been performed in numerous materials, then we developed a model able to foresee the experimental conditions that made the detection of acoustic waves with frequencies higher than one terahertz possible.

Dans cette thèse, on étudie l’interaction optomécanique dans les cavités des cristaux phoxoniques définis comme des cristaux à la fois photonique et phononique. Ces structures périodiques peuvent présenter simultanément des bandes interdites absolues pour les ondes électromagnétiques et pour les ondes acoustiques. L’introduction de défauts tels qu’une cavité dans le cristal permet d’obtenir à la fois des photons et des phonons localisés. Ce confinement simultané des deux excitations à l’intérieur d’une même cavité permet d’exalter leur interaction et d’envisager de nouveaux dispositifs acousto-optiques à l’échelle submicronique. Nous avons étudié théoriquement cette interaction optomécanique dans différentes structures de cristaux phoxoniques (2D, plaques et nanoguide structuré). Nous avons mis en évidence l’effet du changement du matériau et de la longueur d’onde incidente sur le couplage optomécanique. Les résultats pour le nanoguide structuré ont été comparés à des résultats expérimentaux réalisés par nos partenaires. Enfin, le couplage phonon-plasmon est abordé à la fois en terme de premiers résultats et de perspective. / In this thesis, we study optomechanic interactions in phoxonic crystals which are defined as dual phononic/photonic crystals that can exhibit simultaneously phononic and photonic band gaps. The existence of absolute band gaps allows the simultaneous confinement of both waves that, in turn, can produce the enhancement of their interaction for the purpose of novel and high-performance optomechanical and acousto-optic devices and applications. A main objective is the modulation of light by acoustic waves when both excitations are confined inside the same cavity or propagate with a slow group velocity inside a waveguide. We have studied theoretically the optomechanic interactions in different (2D, slabs and strip) phoxonic crystals cavities. We have demonstrated the dependence of these optomechanic interactions as a function of both the nature of the material and the incoming optical wavelength. The results for strip waveguides have been compared with experimental results performed by our partners. Finally, as a perspective, we began to study the phonon-plasmon coupling.

Thèse doctorat : Génie des Matériaux : Villeurbanne, INSA : 2001. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. à la fin de chaque chapitre.

Reproduction de : Thèse doctorat : Chimie physique industrielle : Reims : 2007. / Titre provenant de l'écran titre. Bibliogr. f. 153-178.

Thèse doctorat : Matériaux : Villeurbanne, INSA : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 133-142.