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Thèse de Doctorat
DOI
https://doi.org/10.11606/T.76.2020.tde-02062020-084220
Document
Auteur
Nom complet
Nathália Beretta Tomazio
Adresse Mail
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
São Carlos, 2020
Directeur
Jury
Mendonça, Cleber Renato (Président)
Ferreira, Paulo Henrique Dias
Muniz, Sérgio Ricardo
Samad, Ricardo Elgul
Wiederhecker, Gustavo Silva
Titre en anglais
Direct laser writing of high-Q polymeric microresonators for Photonics
Mots-clés en anglais
Graphene oxide
Optical microresonators
Rhodamine B
Two-photon polymerization
Whispering gallery modes
Resumé en anglais
Optical microresonators have been driving considerable advances in science due to their ability to strongly confine light within small dielectric volumes and their unique features, such as frequency selectivity, high sensitivity and ease of integration into a range of photonic systems. In particular, polymers are attractive as a resonator material owing to their structural flexibility, ease of processing/functionalization and low cost. However, the fabrication of high quality factor polymeric microresonators by means of simple fabrication methodologies that afford fine tuning of the structure dimensions and its integration into different platforms/substrates is still on great demand. In this work, we demonstrated the potential of femtosecond laser writing via two-photon polymerization to fabricate high quality factor polymeric whispering gallery mode microresonators, which were doped with active compounds aiming at photonic applications. Our microresonators were fabricated from an acrylic-based photoresist. They are 50 μm diameter hollow microcylinders featuring sidewall roughness of 1.5 nm, which makes them suitable for photonic applications at visible and infrared wavelengths. They exhibit a quality factor of 1×105 at 1550 nm, a high performance achieved in a single step of femtosecond laser writing. In order to enable laser operation, we doped the microresonators with rhodamine B. The great power enhancement achieved within the microresonators, combined with the high fluorescence quantum yield of rhodamine B, allows for a lasing threshold as low as 12 nJ for free space picosecond excitation at 532 nm. Moreover, we investigated the mechanisms underlying a mode cleaning effect in microresonators to which we had incorporated graphene oxide. By calculating the resonances response to damping mechanisms in the microresonators, we showed that additional losses introduced by graphene oxide play a major role in reducing the visibility of a number of resonances up to the point of effectively filtering a set of modes out. Overall, this work provides a simple strategy to accomplish high quality factor polymeric microresonators and offers interesting physical insights that can be useful in the design and fabrication of photonic micro/nanodevices.
Titre en portugais
Escrita direta a laser de micro-ressonadores poliméricos de alto fator de qualidade para Fotônica
Mots-clés en portugais
Fotopolimerização por absorção de dois fótons
Micro-ressonadores ópticos
Modos de galeria
Óxido de grafeno
Rodamina B
Resumé en portugais
Micro-ressonadores ópticos têm promovido avanços científicos notáveis devido à sua grande capacidade de confinar a luz em pequenas estruturas dielétricas e às suas singulares características, tais como seletividade de frequências, alta sensibilidade e fácil integração a um grande número de plataformas fotônicas. Em particular, polímeros são materiais atraentes para a confecção de ressonadores uma vez que oferecem flexibilidade estrutural, facilidade de processamento/funcionalização e baixo custo. Entretanto, a fabricação de micro-ressonadores poliméricos de alto fator de qualidade a partir de metodologias simples de fabricação que permitam realizar um ajuste fino das dimensões da estrutura e a sua integração a diferentes plataformas/substratos ainda representa um grande desafio. Neste trabalho, nós demonstramos o potencial da técnica de fotopolimerização por absorção de dois fótons em fabricar micro-ressonadores poliméricos de modos de galeria de alto fator de qualidade, os quais foram dopados com compostos ativos para viabilizar aplicações em Fotônica. Nossos micro-ressonadores foram fabricados a partir de uma resina de base acrílica. Eles são micro-cilindros ocos de 50 μm de diâmetro externo com rugosidade de parede lateral de 1.5 nm, o que os torna adequados para aplicações na faixa espectral de comprimentos de onda do visível e infravermelho. Eles exibem um fator de qualidade de 1×105 para 1550 nm, um alto desempenho atingido a partir de uma única etapa de escrita a laser. Com o intuito de viabilizar operação laser, nós dopamos os micro-ressonadores com rodamina B. A grande amplificação de potência atingida no interior dos micro-ressonadores, combinada à alta eficiência quântica de fluorescência da rodamina B, produz um limiar de ação laser de apenas 12 nJ para a excitação de espaço livre com laser de picossegundos centrado em 532 nm. Além disso, nós investigamos os mecanismos que levam a um efeito de filtragem de modos em micro-ressonadores aos quais nós incorporamos óxido de grafeno. Por meio do cálculo da resposta das ressonâncias aos mecanismos de dissipação nos micro-ressonadores, nós mostramos que as perdas adicionais introduzidas pelo óxido de grafeno contribuem de forma mais significativa para a atenuação de um conjunto de modos. Sobretudo, esse trabalho introduz uma estratégia simples para realizar micro-ressonadores poliméricos de alto fator de qualidade e oferece soluções interessantes que podem ser úteis para o desenho e fabricação de micro/nanodispositivos fotônicos.
 
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Date de Publication
2020-06-02
 
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