L’écriture laser déverrouille les fonctions nanophotoniques dans le verre

Les structures nanophotoniques ont récemment révolutionné l’optique, ouvrant le champ de la méta-photonique, qui permet la manipulation de la lumière selon des voies inaccessibles à l’optique réfractive classique. Grâce à des motifs élémentaires de dimension sub-longueur d’onde judicieusement arrangés, des fonctions optiques arbitraires et inédites, telles que la réfraction négative ou les métalentilles, deviennent réalité. Par exemple, en réalisant de « simples » nanotrous dans un matériau optique, on contrôle localement la densité de matière, et donc l’indice de réfaction moyen qui sera vu par un faisceau de lecture. Il manquait cependant jusqu’ici la capacité technologique de fabriquer de telles structures en volume et en 3D, ainsi que d’ouvrir le champ des matériaux optiques adéquats, actuellement très limité. Des chercheurs du laboratoire Lasers plasmas et procédés photoniques (LP3, Aix-Marseille Université/CNRS) ont fait sauter ce verrou grâce à une approche totalement différente des nanotechnologies planaires : l’écriture directe par laser.

Ce résultat a été obtenu en utilisant des impulsions ultrabrèves (< 1 picoseconde) qui permettent d’atteindre des intensités élevées et ainsi d’usiner un matériau transparent n’importe où dans son volume. L’un des points clés est la mise en forme adéquate du faisceau, sous la forme d’un long pinceau lumineux de diamètre micrométrique (faisceau de Bessel). Ceci a permis, avec un seul tir laser, de générer une micro-explosion à géométrie contrôlée à l’intérieur du bloc de verre, permettant de réaliser une cavité de dimensions ajustables selon l’énergie de l’impulsion laser ultracourte utilisée. Des nanocanaux, de diamètres de quelques centaines de nanomètres pour une longueur atteignant plusieurs dizaines de microns deviennent ainsi accessibles.

Le dispositif développé a permis de fabriquer des structures composées de nombreux nanocanaux contrôlés individuellement, avec une densité spatiale élevée (espacement entre deux canaux inférieur au micron). L’utilisation de longs canaux en lieu et place de nanotrous utilisés habituellement pour concevoir des métasurfaces est ce qui a permis d’utiliser un verre standard : son faible indice de réfraction, habituellement rédhibitoire, est ici compensé par la longueur des canaux sur laquelle un faisceau de lecture verra son front d’onde modulé. La pertinence du concept a été démontrée en réalisant une structure à gradient d’indice (un méta-prisme, voir Figure), dont les caractérisations ont montré que ce prototype de composant était d’ores-et-déjà fonctionnel pour une utilisation dans le proche infrarouge.

Ces résultats ouvrent la voie à la réalisation de puces photoniques multifonctions intégrées dans des matériaux optiques standards, grâce à une fabrication par laser qui combine haut degré de flexibilité et propreté du procédé, qui n’utilise ni solvant chimique ni technologies sous vide.

Références
Scalable nanophotonic structures inside silica glass laser-machined by intense shaped beams. 
S. Datta, R. Clady, D. Grojo, O. Utéza, N. Sanner.
Laser & Photonics Reviews, 2301365 (2024).
https://doi.org/10.1002/lpor.202301365