Development of a System for the Refactive Index Profiling of Laser Written Waveguides to Better Understand Laser Induced Material Modification

La modification de matériaux transparents par écriture laser a été utilisée au fil des années comme méthode pour produire des guides d'onde dans des matériaux transparents. Plus récemment, l'écriture directe par laser a été utilisée dans la production de dispositifs photoniques et senseurs dans les écrans de téléphones intelligents. Par contre, la caractérisation de la modification matérielle (principalement le changement d'indice de réfraction) produite par écriture laser est restée problématique. Les méthodes typiquement utilisées pour les fibres optiques ne sont pas appliquables directement ou sont très peu pratiques. Un système pour la mesure de profils d'indice de réfraction de fibres optiques et de modifications matérielles telles que des guides d'onde et réseaux diffractifs est présenté dans ce mémoire. Un interféromètre de type Mach-Zehnder est utilisé pour obtenir le décalage de phase d'un faisceau de lumière se propageant perpendiculairement à la fibre optique ou au guide d'onde. Des algorithmes de PSI (Phase Shifting Interferometry) sont utilisés en parallèle à un actionneur piézoélectrique continuellement en mouvement pour déduire le décalage de phase des franges d'interférence, permettant d'obtenir des images de phase quantitatives à un taux de plus de 100 images par seconde avec une résolution inférieure à un micromètre. Différentes techniques sont utilisées pour déduire le profil d'indice de réfraction du décalage de phase mesuré: la transformée d'Abel inverse applicable aux fibres optiques et guides d'onde axiallement symmétriques, l'imagerie tomographique pour les fibres optiques axiallement asymmétriques et une méthode de reconstruction novatrice basée sur un processus d'optimisation par l'utilisation d'un algorithme génétique pour les guides d'onde axiallement asymmétriques écrits dans le verre. La précision de la reconstruction du profil d'indice de réfraction se situe entre ±1 · 10−4 et ±3 · 10−4 RIU dépendamment de la méthode utilisée et de l'échantillon étudié. La méthode permet d'effectuer la mesure en quelques secondes avec peu de préparation d'échantillon pour les fibres optiques et aucune préparation pour les guides d'onde écrits par laser. L'intégration des multiples actionneur du système à un logiciel de contrôle permet la mesure rapide d'échantillons contenant des centaines de guides d'onde écrits par laser. Le sujet de l'écriture directe par laser dans le verre trempé Gorilla fait par Corning est aussi abordé dans ce mémoire. Une étude systématique du rôle de plusieurs paramètres de l'écriture par laser ainsi que les avancements dans la production de guides d'onde intéressants résultant de cette étude sont tout d'abord présentés.

Abstract

Laser induced material modification has gathered interest over the years as a method to produce waveguides in solid transparent media. More recently, direct laser writing showed promise in producing photonic devices and sensors in smartphone screens. However, characterizing the material modification — mainly the refractive index change — induced by laser writing has remained problematic. Methods typically used for optical fibers are either not directly applicable or unpractical. A system for the measurement of the refractive index profile of optical fibers and laser induced material modifications including waveguides and gratings is presented in this thesis. A Mach- Zehnder interferometer is used to obtain the phase shift of light propagating transversely through the optical fiber or waveguide. Phase shifting interferometry algorithms are used in conjunction with a continuously moving piezoelectric actuator to quickly recover phase data from fringe patterns, providing quantitative phase images at a rate of up to over 100 frames per second with sub-micron resolution. Different techniques are used to recover the refractive index profile from the measured phase shift: the inverse Abel transform applicable to axially symmetric optical fibers and waveguides, tomographic imaging for axially asymmetric optical fibers and a novel genetic algorithm based reconstruction method for axially asymmetric waveguides written directly in glass. The precision of the reconstruction process is between ±1 · 10−4 and ±3 · 10−4 RIU depending on the method used and sample studied. The method allows for measurements to be done in mere seconds with little sample preparation in the case of optical fibers and without any sample preparation for laser written waveguides. The integration of the system's multiple actuators to a single software allows for the rapid measurement of glass samples containing hundreds of laser written waveguides. The subject of direct laser writing in Corning's Gorilla toughened glass is also covered in this thesis. A systematic study of the role of many experimental parameters in laser writing and the advancements in producing interesting waveguides resulting from the study are first presented. Almost prefectly circular and polarization insensitive waveguides are written in toughened glass by using objectives with high numerical aperture. The optimization process of the most important parameter in laser writing, the writing speed, using the refractive index profiling system is also presented. Finally, direct laser writing of gratings is achieved using a completely different set of parameters based on the intensification of the defocusing effect at the air-glass interface by writing in high refractive index glass and using objectives with lower numerical apertures.