Оптика та матеріали - OPTIMA (364) - Інститут Ніл
Хімія матеріалу, теоретичні та фізичні експертизи для оптимізації та контролю оптичних властивостей
ОПТИМА
Цілі
Наша команда складається з фізиків та хіміків, досвідчених в області оптики, спектроскопії, росту кристалів та матеріалознавства, спрямованих на розуміння та оптимізацію оптичних властивостей з експериментальної та теоретичної точок зору.
Основними результатами досліджень є нелінійне перетворення частоти, генерація нових квантових станів, біовізуалізація, освітлення, застосування в якості фотодетекторів та фотоелементів.
Наша сила полягає у оволодінні всім ланцюжком компетенцій, починаючи від розробки нових матеріалів, їх характеристик та теоретичних досліджень, до оптимізації оптичних властивостей.
З хімії розчинів ми розробляємо широкий спектр матеріалів від нм до см-шкали, висококристалічних або аморфних, неорганічних, органічних або гібридних для нелінійного перетворення частоти, освітлення, біосенсибілізації та біовізуалізації, або фотодетекторів та фотоелементів.
Завдяки нашій потужній компетентності в лазерній та нелінійній оптиці, ми оцінюємо монокристали для синтезу оптичних частот і працюємо над генерацією нових квантових станів світла. Ми також розробляємо нові спектроскопічні інструменти.
Ріст кристалів із розчину та потоку
Асоційований персонал: Жульєн Заккаро, Олександра Пенья Ревеллес та Ален Ібанес
Поточний аспірант: Віджая Шантхі Пол Радж та Хав'єр Майен
Точний контроль механізмів зародження та росту в розчині, близькому до кімнатної температури та при високій температурі, часто за участю оригінальних саморобних реакторів, є дуже сильною діяльністю OPTIMA.
Кристалічний об'єм кристалів з розчину
Це дозволило підготувати високоякісні кристали для складних програм та фундаментальних досліджень, як у випадку з кристалами NaI3O8 NLO (див. Осі дослідження OPTIMA Нелінійна оптика для перетворення частоти). Що стосується сипучих кристалів, ми передали наш запатентований процес CEA-Le Ripault, оптимізуючи швидке зростання (1 см на день) дейтерованих кристалів KDP 20x20x10 см 3 з граничною оптичною однорідністю. Сантиметричні гомохіральні кристали CsCuCl3 (вільні від доменів неправильної вручну) вирощують для вивчення нових властивостей, таких як мультиферроїзм під сильним магнітним полем, магнітний хіральний дихроїзм та тепловий ефект Холла (Хіросіма, Осака та Токійський університет). Нещодавно ми розпочали ріст гібридних монокристалів перовскіту [1] та полікристалічних товстих плівок (MAPbBr3) для прямого рентгенівського виявлення та відповідних програм рентгенографії (CEA-LITEN & LETI, компанія TRIXELL) за підтримки двох грантів E.C [2].
Ріст кристалів об'ємних кристалів методом потоку
Високотемпературний розчин або потік - це універсальна техніка росту кристалів, що використовується для вирощування високоякісних сипучих кристалів, які неможливо виростити з розплаву.
В команді OPTIMA, а також у технічній групі Об'ємне зростання кристалів, ми спеціалізуємось на цьому методі росту і працюємо над покращенням умов або розробкою оригінальних підходів для отримання епітаксійних шарів або об'ємних нелінійних оптичних кристалів, таких як KTiOPO4 та RbTiOPO4, та об'ємних п'єзоелектричних кристалів, α-GeO2 [3, 4, 5]. Проекти, що стосуються нелінійних кристалів, розроблені у співпраці з KTH у Швеції та проект, що стосується п'єзоелектричних кристалів з ICGM в Монпельє.
Основи (та програми)
Наші постійні зусилля щодо контролю та розуміння механізмів зародження та росту, щоб забезпечити оптимальну якість кристалів та адекватну морфологію кристалів, вирощених методами розчину та потоку, сьогодні збільшуються.
Для об'ємних кристалів розробляються in situ дослідження зростаючих поверхонь за допомогою інтерференційної мікроскопії (SIMaP) та впровадження чисельної моделі для прогнозування форм кристалів за допомогою моделювання фазового поля (LPMC). Це покращить наше розуміння процесів росту та утворення дефектів, зменшуючи час, необхідний для оптимізації умов росту (розчинник, морфологія, структура розчину, гідродинаміка), які будуть вказані для гомохіральних кристалів: α-GeO2, LiFe5O8, CsCuCl3 (Університет Хіросіми та Токіо).
Наноматеріали для біомедичного застосування
Ця сторінка порожня.
Породження нових квантових станів світла
Асоційований персонал: Веронік Буту та Бенуа Буланже
Нинішній аспірант: Августин Верней
Потрійна генерація фотонів (TPG: 3ω → ω + ω + ω) на основі нелінійної оптичної взаємодії третього порядку є найбільш прямим способом отримання чистих квантових трифотонних станів. Вони можуть демонструвати квантову заплутаність трьох тіл, і їхня статистика виходить за рамки звичайної гауссової статистики двійкових фотонів, пропонуючи нові інструменти для квантової механіки. Ця сфера досліджень є справжнім викликом як у нелінійній, так і в квантовій оптиці, відкриваючи двері для виробництва оголошеного двофотонного переплетення: революція в квантовій інформації. Наші піонерські роботи 2004 року [1] щодо перших експериментальних демонстрацій чистого TPG надихнули кілька груп квантової оптики у всьому світі. Ми розробили класичні, а також квантові моделі для TPG [2], [3] .
Зовсім недавно, у співпраці з Камелем Бенчейком та Аріелем Левенсон у C2N Париж-Сакла, ми теоретично показали, що в описі безперервної змінної очікується надійне та справжнє трифатонне переплетення при висіванні TPG [4].
Наш піонерський потрійний фотонний генератор [1] заснований на подвійному засіванні TPG, фазово узгодженому в об'ємі кристалів KTP. Ми також розглянули інші нелінійні середовища з метою підвищення ефективності TPG, щоб можна було досягти спонтанного оптичного параметричного процесу. Ми вивчили ступінчасті оптичні волокна і показали, що модальне перекриття буде недостатньо хорошим, щоб забезпечити генерацію триплетного джерела, придатного для квантової оптики [5]. Потім ми запропонували дослідити доцільність нової технології, використовуючи як двозаломлення кристалів, так і обмеження хвилеводів. Ідея полягає у використанні хребтового хвилеводу, де напрям розповсюдження знаходиться вздовж напряму фазового узгодження двозаломлення нелінійного кристала [6]. Тоді фазово узгоджені насоси та триплетні хвилі можуть мати однакові просторові режими, так що перекриття буде оптимальним у середовищі. Це в основі проекту ANR/FNS PRCI Франція-Швейцарія 2018-2022, який ми координуємо: TRIQUI (Потрійні фотони для квантової інформації) із залученням NÉEL у Греноблі, FEMTO-ST у Безансоні (Матьє Шове та Флоран Бассіньо), C2N у Париж-Сакла (Камель Беншейх та Аріель Левенсон) та GAP у Женеві (Уго Збінден та Фелікс Бюс'єр).
Ми також розглянемо альтернативну та нову схему з використанням каскаду двох нелінійних процесів другого порядку в одному і тому ж нелінійному середовищі: 3ω → ω + 2ω і 2ω → ω + ω. Це також може призвести до трьох корельованих фотонів при ω, але воно вимагає одночасного фазового збігу двох кроків у конкретній конфігурації полірування KTP. Ми розпочали плідну співпрацю з Еді Ар’є, яка розробила цю нову технологію в Тель-Авівському університеті.
Виникнення триплетів буде підтверджено за протоколом збігу, що вимагає щонайменше три детектори. Ми використовуємо надпровідні нанопровідні однофотонні детектори (SNSPD) від GAP та ID Quantum.
Нелінійна оптика для перетворення частоти
Асоційований персонал: Патрісія Сегондс, Олександра Пенья Ревеллес і Бенуа Буланже
Поточний аспірант: Батіст Брюно
Завдяки цим осям дослідження існує багато додатків, таких як: терагерцові, фазові та циліндричні оптичні параметричні генератори.
Вивчення кристалів для інфрачервоного та терагерцового поколінь
Ми вивчаємо потенціал нових нелінійних кристалів для генерації параметричного світла в інфрачервоному та терагерцовому діапазонах з фазових процесів другого порядку. Повна характеристика їх оптичних властивостей виконується на унікальній платформі з використанням кристала у формі кулі або циліндра, полірованого до оптичної якості. Кола Ейлера або Каппи дозволяють обертати досліджуваний зразок на собі, поки він накачується параметричним джерелом, що регулюється між 0,4 мкм та 12 мкм. Тоді можна отримати безпосередній доступ до кутового розподілу напрямків фазового узгодження та відповідних коефіцієнтів перетворення частоти або кутових та спектральних прийнятностей по всій області прозорості, від ультрафіолету до діапазону ТераГерца [1]. Це можна зробити для генерації сумарної частоти (SFG), включаючи генерацію другої гармоніки (SHG), а також для генерації різниці частот (DFG). Ми вивчали численні нелінійні кристали, такі як KTP, KTA, RTP, RTA, YCOB, GdCOB, LGT, LGN, CSP, CdSe, BGSe [2], завдяки безлічі співпраці з лідерськими групами зі зростання кристалів у всьому світі, як BAE Systems, Shandong & Університети Тяньцзіня, Кубанський державний університет, Рікен, Chimie ParisTech.
Інтерполяція та аналіз усіх цих вимірювань призводять до визначення точних рівнянь Селмаєра, а також величин та відносних знаків коефіцієнтів нелінійного тензора другого порядку в повному діапазоні прозорості кристала. Цей масив даних дозволяє нам проводити обчислення оптимізованих параметричних процесів перетворення частоти для генерації регульованих пучків або суперконтинуумів, наприклад. У випадку з генерацією Терагерца ми завершуємо наші вимірювання фазового узгодження дослідженнями часової області спектроскопії у співпраці з IMEP-LAHC в Шамбері.
Кутове квазіфазне узгодження
Квазіфазне узгодження (QPM) зазвичай досягається в періодично полярованих (PP) сегнетоелектричних кристалах, тобто демонструючи періодичну модуляцію знака нелінійного коефіцієнта другого порядку. Поліпшення процесу полірування призвело до періодично полярованих кристалів з великою апертурою, таких як PP-LiNbO3 та PP-KTiOPO4. Ці великі кристали дають можливість здійснювати перетворення частоти з взаємодіючими хвилями, що поширюються під будь-яким кутом до вектора решітки. Це узагальнення QPM ми назвали кутовим квазіфазним збігом (AQPM) [3].
Ми експериментально підтвердили AQPM шляхом дослідження 5% легованого MgO кристала PP-LiNbO3 (одновісний оптичний клас) у співпраці з IMS в Японії [3] та кристалу PP-KTiOPO4, легованого Rb (двовісний оптичний клас) у співпраці з KTH у Швеції [4]. Ми показали, що AQPM може забезпечити збільшення діапазону фазового узгодження, а також гігантські спектральні прийняття.
Циліндричні оптичні параметричні генератори
Ми побудували кілька саморобних циліндричних оптичних параметричних генераторів (Cyl-OPO), що накачуються комерційним наносекундним імпульсним лазером Nd: YAG. Вони засновані на обертовому нелінійному кристалі у формі циліндра або часткового циліндра, що забезпечує безперервну і широку налаштування довжини хвилі. Вони були реалізовані у випадку збігу фаз подвійного заломлення з KTP, а також AQPM з PP-KTiOPO4 та PP-LiNbO3. Ми також побудували Dual-OPO на основі двох однакових Cyl-OPO, що накачуються одним і тим же лазером Nd: YAG [5]. Два пучки, що випромінюються, можуть самостійно регулюватися від 1,4 мкм до 4,4 мкм, і їх регульованість може бути збільшена до 0,7 мкм завдяки стадіям ГГУ.
Ми також працюємо над розробкою нових архітектур OPO в режимі пікосекунди з компанією TEEM PHOTONICS у м. Мейлан, Франція. Мета полягає в тому, щоб отримати постійну регульованість від 0,4 мкм до 0,9 мкм. Їх упаковка повинна бути компактною, а їх надійність сумісною з цільовими програмами, переважно в медицині.