Demonstration of ultrafast all-optical signal processing (AOSP) using silicon as the active material has been limited by large two-photon absorption loss and long lifetimes of the resulting free carriers. For AOSP at speeds in the terahertz, an order of magnitude faster than that the fastest current electronic counterpart, a class of π-conjugated organic molecules called polymethines provides a promising alternative to silicon as they possess large third-order nonlinearities, and ultrafast polarization response to an incident field. The challenge in the application of polymethines as active nonlinear optical materials for AOSP is in translating their promising molecular properties into bulk material properties. The large linear polarizability and charged nature of the polymethines molecules strongly promote aggregation and phase-separation in solid blends, offsetting their advantageous molecular optical properties. In this work, polymethines’ resistance to deleterious spontaneous symmetry breaking and aggregation was enhanced by substitutions of metal- and chalcogen- containing terminal groups, and rigid steric groups above and below the π-conjugated plane of polymethine chain. The resulting polymethines/amorphous polycarbonate (APC) blend films demonstrated an unprecedentedly high two-photon figure-of-merit, |Re(χ(3))/Im(χ(3))| and low linear loss. The optical quality of the polymethines/APC films was also improved by replacing the commonly-used alkyl ammonium counterions with more polarizable aryl phosphonium counterions with moderate ground state dipole moment. The resulting dye-polymer blend films showed an enhanced near-infrared transparency while its magnitude of the third-order susceptibility, |χ(3)|, showed a good agreement with that extrapolated from the molecular third-order polarizability, γ. For facile integration of these promising organic materials into SOH, the substrate surface was functionalized using silane coupling chemistry for the reduction of surface energy mismatch between the polymer films and the waveguide containing substrates. The optical and SEM micrographs showed vastly improved coverage and infiltration of the microfeatures. Furthermore, to enable the precise engineering of waveguide cross-sectional dimensions for single-mode propagation in the organic cladding, the dispersion curves of the polymethines/polymer blends were generated using prism coupling and ellipsometry. The combined efforts in the development of molecules and materials discussed in the thesis have culminated into a successful identification and optimization of the polymethines dyes and their polymer blends for imminent demonstrations of on-chip AOSP at terahertz speed.

Cette étude traite des propriétés optiques non linéaires (NL) du troisième ordre des tétraphénylporphyrines et de certains de ses dérivées métallisées (Zn, Co) dissoutes dans le chlorobenzène. Les solutions ont été exposées à un laser émettant à 1064 nm, 532 nm et 355 nm dans le régime picoseconde ( ≈ 10 ps) en utilisant la méthode D4σ-Z-scan dans un montage 4f ainsi qu’une nouvelle technique appelée Dark-Field Zscan. Cette dernière se révèle être très fiable pour la détermination directe du signal de réfraction non linéaire en présence d’une forte absorption linéaire et/ou non linéaire. Le comportement des coefficients non linéaires a été étudié en fonction de la concentration et de l’intensité laser. La réponse a été attribuée à une susceptibilité effective du 3eme ordre {χ} rsub {eff} rsup {(3)} = {χ} ^ {(1)} : {χ} ^ {(1)} , dominée par un processus en cascade. Il a été mis en évidence que le comportement optique non linéaire des porphyrines dépend fortement du métal incorporé et de la durée des impulsions par rapport aux durées de vie des états excités. Ces résultats démontrent aussi que l’extension des systèmes électroniques π -conjugués accroît les non linéarités du troisième ordre de ces complexes, ce qui devrait être utile à l’élaboration de nouveaux matériaux. Cette propriété se révèle être intéressante pour la synthèse de porphyrines plus complexes avec d’autres substituants. Les effets importants d'absorption et de réfaction NL donnent aux porphyrines un fort potentiel d’utilisation pour la limitation optique, la commutation optique et pour différents autres applications en optique non linéaire. / This study deals with the third-order nonlinear optical properties (NL) of tetraphenylporphyrins and some of its metallic derivatives (Zn, Co) dissolved in chlorobenzene. The solutions were exposed to a laser emitting at 1064 nm, 532 nm and 355 nm in the picosecond regime ( ≈ 10 ps) using D4σ-Z-scan method in a 4f setup and a new technique called Dark-Field Zscan. The latter provides to be very reliable for the direct determination of the nonlinear refractive signal in the presence of a strong linear absorption and / or nonlinear one. The behavior of nonlinear coefficients has been studied as a function of the concentration and laser intensity. The response has been attributed to an effective 3rd order susceptibility, {χ} rsub {eff} rsup {(3)} = {χ} ^ {(1)} : {χ} ^ {(1)} , dominated by a cascading process. It has been demonstrated that the nonlinear optical behavior of porphyrins strongly depends on the metal incorporated and the pulse duration when compared to lifetimes of the excited states. These results also demonstrate that the extension of π- conjugated electronic systems increases the third order nonlinearities of these complexes, which should be useful in the development of new materials. This property appears to be interesting for the synthesis of more complex porphyrins with other substituents. The high impact on the coefficients related to the NL absorption and refraction gives porphyrins great potential of use for applications in optical limiting, optical switching

Notre étude concerne la mesure du déphasage optique non linéaire (NL) d’ordre trois. Deux catégories de procédés seront abordées : i) la technique interférométrique à décalage de phase qui permet la caractérisation de la phase avec une bonne résolution spatiale, ce qui est crucial pour un faisceau focalisé dans le milieu non linéaire. Cette technique utilise le critère des moindres carrés associé à plusieurs interférogrammes. Mise en œuvre à l'aide d'un modulateur spatial de lumière, elle fournit un calibrage pratique pour chaque déphasage considéré. La fiabilité de la méthode proposée est vérifiée par comparaison directe avec la méthode de transformation de Fourier ; ii) les méthodes innovantes de type Z-scan combinées avec un montage imageur. Elles seront ici appliquées aux mesures des coefficients NL d’ordre trois et d’ordres supérieurs. Nous montrerons que la flexibilité d’emploi d'une caméra CCD permet un meilleur pointage et suivi en temps réel du faisceau. Enfin nous nous intéresserons au montage Dark-field Z-scan bénéficiant des avantages de la microscopie à champ sombre à fort contraste. Ces améliorations ouvrent potentiellement un nouveau champ d’exploration microscopique pour l’investigation et la cartographie des effets non linéaires. / Our study concerns the measurement of the nonlinear (NL) optical phase shift of order three. Two categories of methods will be addressed: i) the phaseshift interferometric technique that allows phase characterization with good spatial resolution, which is crucial for a focused beam in the non-linear medium. This technique uses the least squares criterion associated with several interferograms. Implemented using a spatial light modulator, it provides a practical calibration for each phase shift considered. The reliability of the proposed method is verified by direct comparison with the Fourier transformation method; ii) innovative Z-scan methods combined with an imager assembly. They will be applied here to measurements of the NL coefficients of order three and higher. We will show that the flexibility of using a CCD camera allows for better pointing and real-time tracking of the beam. Finally, we will focus on the Dark-field Z-scan setup, which benefits from the advantages of high contrast dark field microscopy. These improvements potentially open up a new field of microscopic exploration for the investigation and mapping of non-linear effects.

Ο όρος μη γραμμική οπτική (nonlinear optics) αναφέρεται στον κλάδο της φυσικής που μελετά τις μεταβολές που επέρχονται στις οπτικές ιδιότητες της ύλης, όταν αυτή αλληλεπιδρά με ισχυρά ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Οι δέσμες λέιζερ (laser) αποτελούν το κατ’ εξοχήν ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που χρησιμοποιείται για να προκαλέσει τη μη γραμμική οπτική απόκριση της ύλης, λόγω της ισχυρής ακτινοβολίας. Με την ανακάλυψη του λέιζερ τη δεκαετία του 1960, παράλληλα αναπτύχθηκαν πολλές τεχνικές μέσω των οποίων καθίσταται εφικτός ο προσδιορισμός της μη γραμμικής οπτικής απόκρισης των υλικών. Κίνητρο για αυτή την εκτεταμένη έρευνα αποτελεί το γεγονός ότι υλικά με σημαντική μη γραμμική απόκριση βρίσκουν πολλές εφαρμογές στη φωτονική και την οπτοηλεκτρονική. Ειδικότερα, τέτοια υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως οπτικοί περιοριστές (optical limiters) για την προστασία από υψηλές δέσμες λέιζερ, ως οπτικοί διακόπτες (optical switches), καθώς και ως οπτικές λογικές πύλες (optical logic gates) κ.α. Τα τελευταία χρόνια υπάρχει ιδιαίτερο ερευνητικό ενδιαφέρον στο πεδίο των μοριακών διακοπτών (molecular switches). Ο όρος μοριακός διακόπτης αναφέρεται στην δυνατότητα ύπαρξης ενός μορίου μεταξύ δύο διαφορετικών καταστάσεων, ικανότητα που θα αποτελέσει την αφετηρία για μια λειτουργία “on/off”, σε μοριακό επίπεδο. Υποψήφια μόρια που μπορούν να υποστηρίξουν μια διακοπτική λειτουργία είναι εκείνα που παρουσιάζουν κάτω από ορισμένες συνθήκες αλλαγή σε μια εγγενή ιδιότητά τους, όπως ο φθορισμός, η αγωγιμότητα, η μαγνήτιση, ο στερεο-ισομερισμός, η μη γραμμικότητα κ.α. Σκοπός της παρούσας ειδικής ερευνητικής εργασίας ήταν ο προσδιορισμός της τρίτης τάξης μη γραμμικής οπτικής απόκρισης μοριακών συστημάτων που περιέχουν αζοβενζόλιο, υπό μορφή διαλυμάτων. Τα μόρια αυτά είναι ενδιαφέροντα γιατί αφ’ ενός εμφανίζουν trans/cis ισομερισμό, αφ’ ετέρου παρουσιάζουν μια αλλαγή στη μη γραμμικότητά τους εξαιτίας του φωτο-ισομερισμού του διπλού δεσμού –N=N-. Η δομή της εργασίας έχει ως εξής : Στο πρώτο κεφάλαιο θα γίνει μια περιγραφή της μη γραμμικής αλληλεπίδρασης ύλης-πεδίου, η εξαγωγή της μη γραμμικής κυματικής εξίσωσης, καθώς επίσης και μερικών φυσικών διαδικασιών που περιγράφονται μέσω αυτής. Στο δεύτερο κεφάλαιο θα περιγραφεί η πειραματική τεχνική που ακολουθήθηκε, θα αναφερθούν οι οπτικές παράμετροι που σχετίζονται με τη τρίτης τάξης μη γραμμικότητα και τέλος θα περιγραφεί η διαδικασία ανάλυσης των πειραματικών αποτελεσμάτων. Στο τρίτο κεφάλαιο θα γίνει μια σύντομη περιγραφή της πειραματικής διάταξης καθώς και των κυριότερων οργάνων που την αποτελούν. Στο τέταρτο κεφάλαιο θα παρουσιασθούν τα πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν από την εργασία. Αρχικά παρουσιάζεται μια σύντομη περιγραφή των μοριακών συστημάτων που μελετήθηκαν. Ακολουθεί η μη γραμμική οπτική απόκριση των συστημάτων για διέγερση με παλμούς χρονικής διάρκειας 35 ps, στα 532 και 1064 nm,και ακολουθεί ο προσδιορισμός της μη μεταβατικής μη γραμμικής απόκρισης για διέγερση με παλμούς διάρκειας 4 ns. Αναφέρονται τα συμπεράσματα από τη μελέτη των συστημάτων και ακολουθεί μια πρόταση για μελλοντική μελέτη. / Extensive research in the field of molecular switches promises a wide variety of switching mechanisms characterized by an eclectic range of intrinsic properties regarding their luminescence, conductivity, magnetic and optical outputs. Because of their controlled alternating properties and the ease of their preparation and modification, molecular switches hold the promise of becoming pivotal components of organic–integrated photonic devices. Among the many available systems, azobenzene dyes represent a particularly promising class of organic switchable materials. The advantage of azobenzene chromophores as molecular switches is based not only on the large geometrical change accompanying the cis–trans isomerization, but also on their photo–stability, and the ease of their preparation and derivatization. In addition, azobenzene chromophores, exhibiting in general large nonlinear optical response, are characterized by an important change in their third-order nonlinear optical response due to the photo-isomerization of the –N=N- double bond. The purpose of this work is hence to describe how the NLO properties of the azobenzene are influenced when surrounded by an always more electron-donating and conjugated environment. In order to do so, we are studying three azobenzene-centered molecules. In two of them, the switch is bonded to two electron-rich groups such as alkylated anilines via either one or two ethynil spacers. In the latter, a Zn-porphyrin was instead linked to the aza-core. The insertion of a porphyrin core was driven by its high polarizability and optical oscillator strength which gives the material remarkable NLO behavior, making it potentially useful for ultra-fast switching technologies. In that view, the nonlinear optical response of these novel azobenzene based molecules dissolved in dichloromethane are studied by means of Z-scan technique using 35 ps laser pulses at 532 and 1064 nm. From the measurements, the nonlinear absorption and refraction and the corresponding third-order susceptibility χ(3) and second hyperpolarizability are determined.