Imagerie picoseconde grâce à un Banc Pompe Sonde Hétérodyne

IMAGERIE picoseconde grâce à un Banc Pompe Sonde Hétérodyne :

La caractérisation (thermique, mécanique, optique …) des nouveaux matériaux sub-micrométrique peut s’appuyer sur des techniques optiques sans contact et non destructives comme celles utilisant des bancs pompe sonde à base de lasers femtosecondes.

Le principe est d’exciter l’échantillon avec une impulsion laser d’une durée de quelques centaines de femtosecondes (qq 10-13 s=qq 100fs). La perturbation engendrée sera mesurée au cours du temps par une deuxième impulsion retardée temporellement que l’on appelle la sonde. La réponse / signal mesuré est reconstituée progressivement en modifiant ce retard car l’impulsion sonde ne donne qu’un seul point de la réponse à la fois.
Ce retard doit être contrôlé avec une résolution de l’ordre de 100 fs. Grâce à une ligne à retard mécanique, le déplacement d’un miroir sur le trajet de l’impulsion laser sonde permet de régler la distance à parcourir jusqu’à l’échantillon. La vitesse de propagation de ces impulsions laser est celle de la lumière : 300 000 km/s soit 30 µm pour 100 fs.
Malheureusement, l’acquisition de 10 nanosecondes de la réponse nécessite un déplacement de platine de l’ordre 3 m! De plus, la vitesse est limitée à seulement quelques centimètres par seconde.

Le niveau de signal à mesurer est extrêmement faible et de nombreuses acquisitions sont nécessaires. Les temps d’acquisition sont typiquement de l’ordre d’une heure ou plus.
Ces inconvénients ont amenés la thématique Tipi à développer un banc pompe sonde (figure ci-dessous) n’utilisant pas de ligne à retard. Le laser de pompe fournit des impulsions laser à une fréquence légèrement différente du laser de sonde. La technique est basé sur le principe de stroboscopie.
La totalité de la réponse peut être obtenue en 1 ms. Cependant, un système d’acquisition rapide, des détecteurs et des stabilisations électroniques de laser sophistiqués sont nécessaires.

Le développement et la validation du banc hétérodyne ont donné lieu à un brevet en 2006 par la thématique TIPI (Échantillonnage optique hétérodyne n° WO2006FR02384 20061020).

Principe Banc pompe sonde heterodyne

Ce type de banc de mesures permet d’acquérir la réponse de l’échantillon en un point de la surface qui se trouve à une distance choisie de la zone d’excitation (lieu de focalisation de l’impulsion laser pompe). Grâce à cette importante vitesse d’acquisition, il est envisageable de déplacer l’impulsion laser sonde sur l’échantillon et donc de cartographier différents phénomènes de propagation en surface comme, par exemple, des ondes acoustiques se propageant à partir de l’épicentre (vidéo ci-dessous).

Cartographie de la propagation d’ondes acoustiques à la surface d’un cristal de zinc:
 

 

L’unité du temps indiqué au dessous de la vidéo est la picoseconde (10-12s).
La surface analysée est de 15µmx15µm.

La mesure est de type interférométrique et elle est obtenue grâce à un banc pompe sonde hétérodyne (ASOPS : ASynchronous OPtical Sampling). Elle permet de mesurer les très faibles mouvements de surface engendrés par une impulsion laser dite « pompe » en haut à droite de la vidéo. Elle est d’une durée inférieure à la picoseconde.

Nous pouvons observer 2 types d’onde qui proviennent de l’épicentre (lieu de la focalisation de l’impulsion laser pompe) : une onde longitudinale rasante de faible amplitude qui disparaît après 3,5 ns environ. Ensuite, une onde pseudo Rayleigh plus lente et de plus forte amplitude se propage.

Photo-inscription laser avec des composés à transition de spin

PHOTO-INSCRIPTION avec des composés à transition de spin :

Les propriétés optiques de composés à transition de spin ont été appliquées à la réalisation de dispositifs pour l’enregistrement réversible d’information optique. Le faisceau laser induit une transition de spin qui modifie les propriétés d’absorption de la lumière du composé. L’inscription est permanente lorsque le composé est à une température située dans sa boucle d’hystérésis thermique. Ce travail a fait l’objet d’un dépôt de brevet en 2012 par la thématique PULS.

Photo-inscriptionLaser
Inscription à basse température en-dehors de la boucle d’hystérésis T=7°C:
 

 

Inscription à haute température dans la boucle d’hystérésis T=30°C:
 

 

Bougie laser

BOUGIE LASER :

Une bougie laser nanoseconde permettant l’allumage de chambres de combustion d’hélicoptères a été mise au point par la thématique PULS du LOMA. La thématique a démontré que cette source extrêmement compacte permettait de repousser les contraintes de température et de pression imposées par des bougies conventionnelles. Ce travail a été réalisé dans la cadre d’une thèse CIFRE (2013) en collaboration avec les sociétés Turboméca, Novalase, Nexeya et Alphanov.

Visualisation de l’étincelle laser obtenu par une source compacte délivrant des impulsions de 10 mJ, de durée 1ns, à la longueur d’onde 1064nm, à une cadence de 100 Hz:
 

 

Allumage laser dans une chambre de combustion:
 

 

Réalisation de cartes de visualisation infra-rouge

RÉALISATION DE CARTES DE VISUALISATION INFRA-ROUGE :

Les composés à transition de spin ont également été valorisés par la réalisation de cartes de visualisation de faisceaux lasers dans le proche et moyen infrarouge. Ce travail a fait l’objet d’un dépôt de brevet en 2014 par la thématique PULS.

Exemple de visualisation d’un faisceau issu d’un laser CO2 continu de longueur d’onde 10,6 microns:
 

 

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OLIKROM : La carte optique, premier produit commercialisé à l’international

 

Le projet, développé par Eric Freysz, chercheur du Laboratoire Ondes et Matière d’Aquitaine (LOMA)1, est détecté en juin 2012. Dès la création de la SATT Aquitaine, un brevet est déposé en août 2012, en copropriété avec l’Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux (ICMCB)2, permettant de protéger le système de visualisation des rayonnements optiques dans le domaine du térahertz.
Le projet est ensuite présenté au premier Comité d’investissement de la SATT en décembre 2012 et reçoit un financement de 190 000 euros pour l’aide à la maturation. Un deuxième brevet est déposé pour protéger la technologie dans le domaine, cette fois, de l’infrarouge.
« L’application potentielle de nos résultats de recherche sur les lasers et les pigments nous ont poussés à répondre à l’appel à projets de la SATT Aquitaine. L’idée était de développer un système pour visualiser la propagation des lasers. Après l’étude du dossier, le projet a été validé par la SATT, ce qui nous a permis de financer sa maturation avec, entre autre, le recrutement d’un ingénieur », explique Eric Freysz, directeur de recherche au CNRS et chercheur inventeur de la technologie, rattaché au LOMA.
« Des prototypes ont pu être présentés en parallèle sur des salons professionnels internationaux. Cela nous a permis d’obtenir les retours des distributeurs et utilisateurs de matériel optique et d’apporter ainsi des améliorations à la technologie, notamment sur le seuil de sensibilité et la tenue au flux laser », rapporte Matthieu Ayfre, chef de projet Science de l’Ingenieur à Aquitaine Science Transfert®.
En septembre 2014, les licences sont signées sur les deux brevets avec la société nouvellement créée Olikrom, pour la fabrication des cartes optiques. Cette start-up régionale, anciennement cellule de transfert, vient de lancer son activité en octobre 2014, grâce à l’apport d’un produit fini à forte valeur ajouté issu de la recherche académique.
« Il existe actuellement un réel besoin pour les systèmes de visualisation de rayonnements IR peu coûteux, faciles à mettre en œuvre et présentant un seuil de sensibilité et de tenue au flux laser satisfaisant, sur une large gamme de longueur d’onde. Ces cartes ayant la capacité de changer de couleur avec le laser, elles facilitent considérablement l’utilisation de sources, tout en limitant les risques d’exposition », précise Benoit Philippeau, ingénieur maturation du projet à Aquitaine Science Transfert®.
Aujourd’hui, les cartes optiques sont commercialisées à l’international, pour Laser Components et pour Newport Corporation, leader mondial dans le domaine des technologies laser.
« Olikrom produit des pigments intelligents, mais pour arriver à un produit fini, c’est un long processus. En fait, ces cartes optiques sont le premier produit d’Olikrom qui arrive sur le marché. C’est une vraie réussite. J’espère pouvoir développer par la suite de nouveaux axes de matériaux intelligents, en collaboration toujours avec la SATT Aquitaine. Un nouveau projet de textile intelligent pourrait nous être transféré, ce qui permettrait d’accélérer la maturation de ce projet et de nourrir l’ambition d’Olikrom de devenir leader mondial dans le domaine des pigments intelligents », conclut Jean-François Létard, Président d’Olikrom, ancien chercheur à l’ICMCB.
1 Unité Mixte de Recherche rattachée à l’Université de Bordeaux et au CNRS
2 Unité Propre de Recherche du CNRS

Carte Optique

 Aquitaine Science Transfert

 Carte optique dans le catalogue de « Newport »