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Thèse Année : 2022

Application of ultrafast optical interferometry for opto-acousto-optical depth-profiling of materials

Application de l'interférométrie optique ultrarapide au profilage opto-acousto-optique en profondeur des matériaux

Artem Husiev
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1245381
  • IdRef : 268785538

Résumé

Imaging and characterization of material spatial inhomogeneities at the micro- to nanoscale is of extreme importance for understanding the limits in their functionalities, which could be reduced or enhanced relative to ideal homogeneous materials. In time-domain Brillouin scattering (TDBS), the transient optical reflectivity of the sample recorded by a probe beam as an acoustic nanopulse propagates in space contains information on the local acoustical, optical, and acousto-optical parameters of the material under study. This PhD thesis was devoted to the design, construction and experimental testing of a new TDBS instrument for the depth profiling of spatially inhomogeneous transparent media with an axial resolution (along the depth) potentially controlled by the few-nanometers length of the acoustic pulse, independent of probe light wavelength. The instrument includes an ultrafast Sagnac interferometer, which provides opportunity for measuring the phase of the transient optical reflectivity, containing the information on the local refractive index and sound velocity. The implemented fiber-based flexible optical scheme provides opportunity for measurements at multiple incidence angles of probe light, with precise and continuous control. Thanks to the optical fibers, the Sagnac loop can be controllably deformed and the incidence angle of the probe light controllably varied without other change. The first application of the ultrafast interferometry in TDBS imaging was the demonstration of a linear dependence of the transient reflectivity phase on depth in a homogeneous sample, paving the way for applications in inhomogeneous ones. Easily angle-adjustable fiber ultrafast Sagnac interferometer increase the functionality and utility of the TDBS technique for imaging in all areas of science, including physics, chemistry, biology and medicine.
L'imagerie et la caractérisation des inhomogénéités spatiales des matériaux à l'échelle micro ou nanométrique sont d'une extrême importance pour comprendre les limites de leurs fonctionnalités, qui pourraient être réduites ou améliorées par rapport aux matériaux homogènes idéaux. Dans la diffusion Brillouin dans le domaine temporel (TDBS), la réflectivité optique transitoire de l'échantillon enregistrée par un faisceau sonde alors qu'une nano-impulsion acoustique se propage dans l'espace contient des informations sur les paramètres acoustiques, optiques et acousto-optiques locaux du matériau étudié. Cette thèse a été consacrée à la conception, à la construction et aux tests expérimentaux d'un nouvel instrument pour le profilage en profondeur par TDBS de milieux transparents spatialement inhomogènes avec une résolution axiale (le long de la profondeur) potentiellement contrôlée par la longueur de quelques nanomètres de l'impulsion acoustique, indépendamment de la longueur d'onde de la lumière sonde. L'instrument comprend un interféromètre de Sagnac ultrarapide, qui permet de mesurer la phase de la réflectivité optique transitoire, contenant les informations sur l'indice de réfraction local et la vitesse du son. Le schéma optique flexible basé sur des fibres permet d'effectuer des mesures sous plusieurs angles d'incidence de la lumière de la sonde, avec un contrôle précis et continu. Grâce aux fibres optiques, la boucle de Sagnac peut être déformée de manière contrôlable et l'angle d'incidence de la lumière de la sonde peut varier de manière contrôlée sans autre changement. La première application de l'interférométrie ultrarapide à l'imagerie TDBS a été la démonstration d'une dépendance linéaire de la phase de la réflectivité transitoire en fonction de la profondeur dans un échantillon homogène, ouvrant la voie à des applications dans des échantillons inhomogènes. L'interféromètre de Sagnac ultrarapide à fibre facilement réglable en angle accroît la fonctionnalité et l'utilité de la technique TDBS pour l'imagerie dans tous les domaines scientifiques, notamment en physique, en chimie, en biologie et en médecine.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04060998 , version 1 (06-04-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04060998 , version 1

Citer

Artem Husiev. Application of ultrafast optical interferometry for opto-acousto-optical depth-profiling of materials. Acoustics [physics.class-ph]. Le Mans Université, 2022. English. ⟨NNT : 2022LEMA1040⟩. ⟨tel-04060998⟩
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