M. Rodolph ISKANDAR soutiendra publiquement ses travaux de thèse intitulés : “Spectroscopie Raman comme sonde locale pour analyser les effets d’un champ électrique sur le Niobate de Lithium”, le jeudi 19 décembre 2024 à 10h00 dans l’Amphithéâtre de CentraleSupélec.
Résumé
Cette thèse explore les propriétés électriques et optiques du Niobate de Lithium (LiNbO3), un matériau crucial pour les applications en optique non linéaire et en particulier pour les modulateurs électro-optiques. Le travail se concentre sur l’utilisation de la spectroscopie Raman pour comprendre les effets de champ électrique appliqué sur les propriétés structurelles et vibratoires du LiNbO3.
Le premier chapitre de la thèse présente les techniques de fabrication des cristaux de LN, telles que la méthode Czochralski, et discute des propriétés structurelles, physiques et optiques du matériau. Le LiNbO3 possède une polarisation spontanée due à sa structure cristalline non Centro symétrique, ce qui en fait un excellent candidat pour des applications en optique non-linéaire, en particulier pour Les modulateurs Mach-Zehnder, utilisés pour des applications de modulation de lumière. L’idée est de savoir, suite à cette étude, que la spectroscopie Raman pourrait être utilisé pour suivre le fonctionnement de ces modulateurs et en particulier prédire leur vieillissement.
Le second chapitre décrit l’utilisation de la spectroscopie Raman pour caractériser le LiNbO3, ceci à partir de différentes configurations retro-Raman ou Raman à 90°. Grace à ces données et en particulier à des mesures basses températures, nous donnerons l’ensemble des raies Raman en comparaison avec la littérature, en justifiant notre choix par des calculs de la constante diélectrique aux THz (fréquences des spectres Raman). Dans des configurations particulières de géométrie et de polarisation des spectres Raman (quasi modes ou modes obliques), il est possible d’identifier des zones spectrales spécifiques dans lesquelles on peut identifier le type de défauts (coulombiens ou anisotropies) qui sont à l’origine de décalage en fréquence ou d’apparition des modes Raman. Ceci nous permettra par la suite de se focaliser sur certaines raies Raman pour suivre ces défauts spécifiques.
Le troisième chapitre se concentre sur les effets des contraintes électriques appliquées au LiNbO3. En collaboration avec l’université de Padoue, un échantillon a été spécifiquement élaboré avec des électrodes d’or et d’argent pour appliquer un champ électrique suivant différentes axes du matériau. L’application de champs électriques entraîne des modifications dans le spectre Raman, telles que des déplacements de fréquence ou l’apparition de nouveaux modes dû au champ électrique externe appliqué. Ces observations permettent de quantifier l’impact des effets photoréfractifs et piézoélectriques sous contraintes.
En conclusion, la spectroscopie Raman s’avère être une méthode efficace pour caractériser les propriétés électriques, mécaniques et optiques du LiNbO3, en particulier du choix de la configuration Raman et des zones spectrales à utiliser pour suivre les différentes propriétés du matériau.
Mot clés: Spectroscopie Raman; Niobate de Lithium; quasi modes; défauts d’anisotropie et coulombien; imagerie Raman; contrainte électrique extérieur.
Abstract
This thesis explores the electrical and optical properties of lithium niobate (LN), a crucial material for applications in nonlinear optics, particularly for electro-optic modulators. The work focuses on the use of Raman spectroscopy to understand the effects of applied electric fields on the structural and vibrational properties of LN.
The first chapter of the thesis presents the fabrication techniques for LN crystals, such as the Czochralski method, and discusses the structural, physical, and optical properties of the material. LN has spontaneous polarization due to its non-centrosymmetric crystal structure, making it an excellent candidate for nonlinear optical applications, particularly for Mach-Zehnder modulators, used in light modulation applications. The goal is to determine, through this study, whether Raman spectroscopy could be used to monitor the operation of these modulators and particularly to predict their aging.
The second chapter describes the use of Raman spectroscopy to characterize LN, using various configurations such as backscattering Raman or 90° Raman. Using this data, particularly at low temperatures, we provide all the Raman lines in comparison with the literature, justifying our choice by calculating the dielectric constant in the THz range (Raman spectra frequencies). In specific configurations of Raman spectrum geometry and polarization (quasi-modes or oblique modes), it is possible to identify specific spectral regions where one can identify the type of defects (Coulomb or anisotropic) responsible for frequency shifts or the appearance of Raman modes. This will subsequently allow us to focus on specific Raman lines to track these specific defects.
The third chapter focuses on the effects of applied electric fields on LN. In collaboration with the University of Padova, a sample was specifically prepared with gold and silver electrodes to apply an electric field along different axes of the material. The application of electric fields induces changes in the Raman spectrum, such as frequency shifts or the appearance of new modes due to the applied external electric field. These observations make it possible to quantify the impact of photorefractive and piezoelectric effects under stress.
In conclusion, Raman spectroscopy proves to be an effective method for characterizing the electrical, mechanical, and optical properties of LN, particularly for selecting the appropriate Raman configuration and spectral regions to monitor the various properties of the material.
Keywords: Raman spectroscopy; Lithium Niobate; quasi-modes; anisotropic and Coulomb defects; Raman imaging; external electrical constraints.