Fonctionnalisation des écrans de téléphones mobiles : des premiers dispositifs invisibles à l'amélioration de l'écriture par laser

Après avoir acheté par curiosité un écran de téléphone mobile sur Internet, il a été suggéré d'inscrire un guide d'ondes à l'intérieur, ce qui était une première dans ce type de verre. Un rêve fit alors surface : la fabrication de dispositifs invisibles afin de fonctionnaliser l'écran des téléphones mobiles. Pour être invisible (sous une lumière ambiante normale), un dispositif ne doit ni rayonner, ni absorber, ni réfléchir, ni réfracter la lumière visible d'une façon détectable par l'oeil. Ceci semble contre la nature des choses et seulement possible dans les romans de science-fiction. Néanmoins, les résultats de cette thèse démontrent le contraire. Pour arriver à cette fin, les limites optiques de l'oeil humain ont tout d'abord été étudiées afin de connaître les paramètres critiques que doit posséder un mince guide d'ondes cylindrique afin qu'il soit indétectable par l'oeil. Notons que les guides d'ondes (semblables à des fibres optiques) sont la base des dispositifs photoniques, un peu comme le sont les fils conducteurs pour l'électronique. En plus de devoir être fait d'un matériel transparent (qui n'absorbe pas la lumière visible), il est démontré que la variation d'indice de réfraction d'un guide d'ondes par rapport à l'écran de verre ne doit pas dépasser ∼3×10-4 pour être invisible, ce qui est extrêmement petit. L'électronique ne peut en aucun cas rencontrer ces critères avec la lumière visible. En fait, pour rencontrer ces critères, le dispositif doit être fait du même matériel (le même verre) et seule une légère modification très précise de la structure atomique doit avoir lieu. Jusqu'à maintenant, une seule méthode semble avoir le potentiel de parvenir à cette fin : le traitement laser ultrarapide (aussi appelé laser femtoseconde (fs)). En effet, grâce à leurs impulsions laser très courtes (∼100 fs) qui permettent l'absorption multi-photon via une interaction non-linéaire, la technologie des lasers fs pousse sans cesse les limites de précision en trois dimensions, en plus de permettre la modification de la structure atomique sans dommage collatéral et sans effet d'accumulation de chaleur. Dans le but de parvenir à l'invisible, l'interaction laser-verre est étudiée afin de tenter de cerner les mécanismes physiques du changement d'indice; le type de modification structurelle utilisé dans cette thèse n'étant pas parfaitement compris dans la littérature.

Abstract

After having bought a mobile phone screen on the Internet out of curiosity, it was suggested to insert a waveguide inside, which had never been done in this type of glass. Then, a dream suddenly popped up: the manufacture of invisible devices in order to functionalize the screen of mobile phones. To be invisible to the eye (under normal ambient light), a device must not radiate, absorb, reflect, or refract visible light in any way that can be detected by the human eye. This seems against the nature of things and only possible in science fiction novels. Nevertheless, the results of this thesis demonstrate the opposite. To achieve this challenge, the optical limits of the human eye have been studied in order to find the critical parameters that a thin cylindrical waveguide must reach in order to be undetectable to the eye. Note that waveguides (similar to optical fibers) are the basis of the photonic devices, much like the conductive wires for electronics. In addition to the necessity of being made of transparent material (which does not absorb visible light), it is demonstrated that the variation of the refractive index of the waveguide relative to the glass screen must not exceed ∼3×10-4 to be invisible, which is extremely small. Electronic circuitry cannot in any case meet these criteria under visible light. In fact, to meet these criteria, the device must be made of the same material (the same glass) and only a slight and very precise modification of the atomic structure must take place. Up to now, only one method seems to have the potential to achieve this: ultrafast (also called femtosecond (fs)) laser processing. Due to their very short laser pulses (∼100 fs), which allow nonlinear multiphoton absorption, fs laser technology constantly pushes the precision limits in three dimensions, in addition of allowing atomic structure modification without collateral damage and heat accumulation. In order to reach invisibility, the laser-glass interaction is studied to identify the physical mechanisms behind refractive index modification; the type of structural modification used in this thesis is not fully understood in literature.