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La technique Z-scan est une méthode très sensible et polyvalente utilisée pour mesurer l'indice de réfraction non linéaire (n2 ) et le coefficient d'absorption non linéaire (β) des matériaux. Il s’agit d’une méthode à faisceau unique, ce qui signifie qu’elle ne nécessite qu’un seul faisceau laser pour sonder l’échantillon. Cette simplicité contraste avec les techniques plus complexes qui nécessitent plusieurs faisceaux.
Voici un aperçu de son fonctionnement :
* La configuration : Un échantillon est placé dans un faisceau laser gaussien étroitement focalisé. L'échantillon est ensuite translaté le long de la direction de propagation du faisceau (l'axe z), d'où le nom « Z-scan ». Un détecteur mesure l'intensité lumineuse transmise en fonction de la position (z) de l'échantillon.
* La mesure : La clé de la sensibilité du Z-scan réside dans la manière dont l'indice de réfraction non linéaire et l'absorption affectent la propagation du faisceau.
* Réfraction non linéaire (n2 ): Un matériau avec un indice de réfraction non linéaire change son indice de réfraction proportionnellement à l'intensité de la lumière qui le traverse. Lorsque l'échantillon se déplace à travers le foyer (région de haute intensité), le faisceau subit un effet de lentille dû au changement d'indice de réfraction dépendant de l'intensité. Il en résulte une courbe de transmission normalisée caractéristique avec un pic suivi d'une vallée (ou vice versa, selon le signe de n2 ). La séparation entre le pic et la vallée est directement liée à la plage de Rayleigh du faisceau focalisé. L'ampleur du pic et de la vallée est directement proportionnelle à n2 .
* Absorption non linéaire (β) : Les processus d'absorption non linéaires, tels que l'absorption à deux photons, augmentent l'absorption du matériau à mesure que l'intensité de la lumière augmente. Il en résulte une courbe de transmission normalisée avec un creux centré au foyer. La profondeur de ce creux est liée au coefficient d'absorption non linéaire (β).
* Analyse des données : La courbe de transmission normalisée est adaptée aux modèles théoriques pour extraire les valeurs de n2 et β. Le modèle spécifique dépend du type de non-linéarité mesurée (par exemple, balayage Z à ouverture fermée pour n2 , Z-scan à ouverture ouverte pour β et ouverture combinée ouverte et fermée pour les deux).
Avantages de la technique Z-scan :
* Simplicité : Ne nécessite qu'un seul faisceau et une configuration optique relativement simple.
* Sensibilité : Très sensible aux effets de réfraction et d’absorption non linéaires.
* Polyvalence : Applicable à une large gamme de matériaux et de longueurs d'onde.
* Non destructif : Généralement non destructif pour l’échantillon, en particulier lorsque de faibles puissances laser sont utilisées.
Types de Z-scan :
* Z-scan à ouverture ouverte : Mesure uniquement l’absorption non linéaire. L'intégralité du faisceau transmis est collectée par le détecteur.
* Z-scan à ouverture fermée : Mesure uniquement la réfraction non linéaire. Une petite ouverture est placée devant le détecteur, bloquant la partie externe du faisceau.
* Z-scan combiné à ouverture ouverte et fermée : Fournit des mesures simultanées de la réfraction non linéaire et de l’absorption.
En résumé, la technique Z-scan est un outil puissant et largement utilisé pour caractériser les propriétés optiques non linéaires des matériaux, offrant une méthode relativement simple mais très sensible pour déterminer des paramètres clés tels que n2 et β. Ces informations sont cruciales pour les applications dans des domaines tels que la limitation optique, la commutation optique et le traitement du signal entièrement optique.
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