Soutenance de thèse d'Ayan MONDAL

Ayan Mondal- Laboratoire PhLAM - UMR 8523 - Équipe Photonique

Titre : Impression 3D micro-nano de structures multi-matériaux à base de verre de silice dopé et de métal

Jury :  Y. QUIQUEMPOIS (PhLAM, encadrant), M. DOUAY (PhLAM, encadrant), M. BELLEC (INPHYNI, rapporteur), E. MARIN (Université Jean Monnet, rapporteur), I. SAGNES (C2N, membre), B. BOUSQUET (ICMCB, membre), H. EL HAMZAOUI (PhLAM, membre)

Résumé : 

L’impression 3D par polymérisation à deux photons (TPP, Two-Photon Polymerization) s’est récemment imposée comme un outil puissant pour la fabrication de structures 3D complexes à l’échelle micro- et nanométrique. Les structures sont fabriquées à partir d’une résine photosensible qui subit une polymérisation à deux photons sous l’action d’un faisceau laser fortement focalisé, voxel par voxel, suivant le modèle de conception assistée par ordinateur (CAO) défini au préalable. Cette technologie ouvre la voie à la fabrication de structures 3D complexes et permet notamment la réalisation de composants optiques. La TPP offre une résolution spatiale élevée, permettant de produire des motifs de dimensions inférieures à la limite de diffraction d’Abbe grâce aux effets non linéaires induits par la lumière dans la résine photosensible. Mes travaux de thèse portent sur la fabrication de différents composants optiques imprimés en bout de fibres optiques ou sur des substrats en verre, à l’aide de différentes résines photosensibles, pour des applications dans le domaine des capteurs optiques déportés et de circuits photoniques intégrés.

Dans la première phase de ce travail, je me suis concentré sur la fabrication de cristaux photoniques unidimensionnels (1D PhC), plus particulièrement de réseaux de Bragg lamellaires (LBG, Lamellar Bragg Gratings), sur des substrats en verre et sur les facettes terminales de fibres optiques à l’aide de la TPP. Ces structures sont constituées de couches alternées de polymère organique et d’air, créant plusieurs bandes interdites photoniques entre 1100 nm et 1700 nm. En contrôlant précisément la puissance du laser au cours du procédé de TPP, une suppression des bandes interdites a été obtenue, permettant ainsi la formation de bandes passantes dans certaines régions spectrales au lieu de bandes d’arrêt. Afin de surmonter les limitations de la résolution axiale pour l’impression de structures complexes sur les extrémités des fibres, nous avons conçu un prisme incliné à 45° sur le cœur de la fibre afin de coupler la lumière vers des réseaux imprimés dans le plan XY. Ces capteurs extrinsèques compacts ont été testés pour des applications de détection environnementale sur des fibres monomodes, présentant une sensibilité à la pression élevée de 278 pm/bar, une sensibilité à l’humidité relative de 65,4 pm/%HR et une sensibilité à la température de 27,1 pm/°C.

Par ailleurs, nous avons fabriqué par impression 3D TPP deux micro capteurs, un capteur Fabry-Pérot (FP) et un réseau de Bragg lamellaire (LBG), sur la même facette terminale d’une fibre multicœur (MCF, Multi-Core Fiber). En raison des différences entre les structures des micro capteurs, les capteurs FP et LBG présentent des sensibilités différentes aux variations de pression et de température. Le capteur FP présente une sensibilité à la pression de 358 pm/bar dans la plage de pression de 1 à 35 bars, tandis que, dans cette même plage, le LBG présente une sensibilité de 233 pm/bar. En ce qui concerne la température, les capteurs FP et LBG présentent respectivement des sensibilités de -84,2 pm/°C et -36,9 pm/°C dans la plage de température de 20 à 60 °C. Les valeurs expérimentales obtenues pour les sensibilités à la pression et à la température sont en très bon accord avec les simulations numériques réalisées. En raison des réponses différentes des microsenseurs FP et LBG à la pression et à la température, une matrice de sensibilité a été établie afin de découpler l’effet de ces deux paramètres.

Par la suite, je me suis concentré sur la fabrication de micro capteurs Fabry-Pérot (FP) hautement stables sur des extrémités de fibres optiques à l’aide de la TPP, pour des applications à haute température. Dans un premier temps, nous avons testé des polymères organiques commerciaux (IP-S) et hybrides (OrmoComp). Cependant, ces capteurs présentaient des décalages spectraux à température constante ainsi qu’une forte hystérésis, les rendant inadaptés à une détection stable. Pour résoudre ce problème, nous avons développé une résine photosensible hybride à base de silice, fabriquée au laboratoire par un procédé sol-gel, afin d’imprimer en 3D des microstructures Fabry-Pérot. Après frittage à 1100 °C pour obtenir un verre à base de silice pure, les capteurs ont présenté une excellente stabilité et une grande fiabilité dans une plage de température allant de 20 °C à 1000 °C, sans hystérésis et avec un très bon accord avec les calculs théoriques de sensibilité.

Les principales contributions de cette thèse sont les suivantes : (i) la conception et la fabrication par TPP de réseaux de Bragg lamellaires présentant des bandes passantes contrôlées et des sensibilités  environnementales améliorées ; (ii) la démonstration d’une détection de pression et de température à deux paramètres grâce à la co-intégration de micro capteurs FP et LBG sur une même facette terminale d’une fibre multicœur ; et (iii) l’impression 3D de capteurs en verre à base de silice hautement stables sur des extrémités de fibres optiques pour des applications en environnements sévères.