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L'écriture laser femtoseconde comme vecteur d'intégration de la photonique au téléphone intelligent

Jean-Sébastien Boisvert

Ph.D. thesis (2023)

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Abstract

The integration of photonic structures in the smartphone glass by means of femtosecond laser writing is an avenue to develop the potential of this technological platform. The glass layer formed from Gorilla glass® has as its primary function, the protection of the screen against the environment and therefore any modification of its physical integrity raises the question of whether the primary function is compromised by the femtosecond laser modification (fs ) of glass. Thus, the breaking stress was measured for pristine samples and inscribed with the fs laser with several writing parameters (speed from 1 to 30 mm/s, energy per pulse from 0.495 to 1.32 μJ, depth of the inscription from 20 to 200 μm and writing density per sample of up to 50). No significant changes were reported between the pristine and written samples in terms of Weibull analysis and the Kolmogorov-Smirnov two-parameter test. At the same time, in the hope of increasing the value of the refractive index change, a different writing regime from 4 to 2 photons by doubling the frequency of the 1030 nm laser was studied. An increase in the refractive index modification of 2 orders of magnitude from Δn = 3 x 10-5 to Δn = 1 x 10-3 is reported. Two writing regimes producing characteristic profiles of refractive index changes have been identified and are respectively governed by the presence of thermal accumulation and fluence. Several waveguide writing strategies are reported either by direct writing outside thermal accumulation, direct writing with controlled thermal accumulation, cladding writing and recovery in the thermal regime. The narrow profile of the inscriptions caused by the filamentation is put to use for the production of volume Raman-Nath grating (VRNG). The writing parameters, resulting in the production of these VRNGs, are discussed in detail for the screen glass, but also in a removable layer of aluminosilicate glass screen protector. In order to demonstrate a spectrometer, a weak VRNG was written into the removable layer of aluminosilicate and placed in contact with the front camera of a Samsung Galaxy S21 FE phone. An optical resolution of 3 nm and a detector resolution of 0.4 nm/pixel were achieved using the 2nd order VRNG diffraction of a 3 μm pitch grating. The concentration detection limit of rhodamine 6G in aqueous solution was measured at 0.5 mg/L ± 0.4 mg/L as a demonstration.

Résumé

L’intégration de structure photonique au téléphone intelligent au moyen de l’écriture au laser femtoseconde dans le verre de l’écran est une avenue afin de développer le potentiel de cette plate-forme technologique. La couche de verre formée de Gorilla glass® possède pour fonction primaire la protection de l’écran contre les intempéries et donc toute modification de son intégrité physique soulève la question à savoir si la fonction primaire se trouve compromise par la modification au laser femtoseconde (fs) du verre. Ainsi, la contrainte en rupture fut mesurée pour des échantillons sains et inscrits au laser fs pour plusieurs paramètres d’écriture (vitesse de 1 à 30 mm/s, énergie par impulsion de 0.495 à 1.32 μJ, profondeur de l’inscription de 20 à 200 μm et densité d’inscription par échantillon jusqu’à 50). Aucun changement significatif ne fut rapporté entre les échantillons vierges et inscrits du point de vue de l’analyse de Weibull et du test à deux paramètres de Kolmogorov-Smirnov. Parallèlement, dans l’espoir d’augmenter la valeur du changement d’indice de réfraction, un changement de régime d’écriture passant de 4 à 2 photons en doublant la fréquence du laser centré à 1030 nm, a été étudié. Une augmentation de 2 ordres de grandeur passant de Δn = 3 x 10-5 à Δn =1 x 10-3 est rapporté. Deux régimes d’écritures produisant des profils caractéristiques de changements d’indice ont été identifiés et sont respectivement régis par la présence d’accumulation thermique et la fluence. Plusieurs stratégies d’écriture de guide d’onde sont rapportées soit par inscription directe hors accumulation thermique, inscription directe avec accumulation thermique contrôlée, inscription de gaine et recouvrement dans le régime thermique. Le profil élancé des inscriptions causées par la filamentation est mis à contribution pour la production de volume de Raman-Nath (VRNG). Les paramètres d’écriture quant à la production de ces VRNG sont discutés en détail pour le verre des écrans, mais aussi dans une couche amovible d’aluminosilicate de verre protecteur d’écran. Afin de générer un spectromètre, un faible VRNG a été inscrit dans la couche amovible d’aluminosilicate placée devant la caméra frontale d’un téléphone Samsung Galaxy S21 FE. Une résolution optique de 3 nm et une résolution du détecteur de 0.4 nm/pixel ont été atteintes en utilisant le 2ième ordre de diffraction du VRNG de 3 μm de pas. La limite de détection en concentration de la rhodamine 6G en solution aqueuse fut mesurée à 0.5 mg/L ± 0.4 mg/L à titre démonstratif.

Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Raman Kashyap
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/56781/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 24 Apr 2024 08:11
Last Modified: 25 Apr 2024 16:21
Cite in APA 7: Boisvert, J.-S. (2023). L'écriture laser femtoseconde comme vecteur d'intégration de la photonique au téléphone intelligent [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/56781/

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