HAL Portal IOGS (nstitut d'Optique Graduate School)
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Non-Gaussian correlations in the steady-state of driven-dissipative clouds of two-level atoms
No full textInternational audienceWe report experimental measurements of the second-order coherence function of the light emitted by a laser-driven dense ensemble of Rb atoms. We observe a clear departure from the Siegert relation valid for Gaussian chaotic light. Measuring intensity and first-order coherence, we conclude that the violation is not due to the emergence of a coherent field. This indicates that the light obeys non-Gaussian statistics, stemming from non-Gaussian correlations in the atomic medium. More specifically, the steady-state of this driven-dissipative many-body system sustains high-order correlations in the absence of first-order coherence. These findings call for new theoretical and experimental explorations to uncover their origin and they open new perspectives for the realization of non-Gaussian states of light
Analyses numériques de spectrogrammes dans la photoionisation attoseconde
No full textSince their first observation in the early 200s, attosecond light pulses (1 as = 10^-18 s) in the extreme ultraviolet (XUV) range have revolutionized the study. of electron dynamics in atoms and molecules. Attosecond spectroscopy based on laser-dressed photoionization has made it possible to observe ultrafast processes such as time delays in the photoelectric effect. This approach consists in measuring the kinetic energy of photoelectrons released through the ionization of atoms or molecules by an attosecond pulse combined with a laser pulse. Although the released photoelectron behaves as a quantum wavepacket, its coherence is often degraded for both instrumental and quantum-mechanical reasons. The goal of this work is to develop and apply computational tools to extract decoherence information, in the form of an electron density matrix, from photoelectron kinetic energy spectra. In that perspective, it is crucial to evaluate the reliability of these numerical tools. Therefore we have performed a theoretical study in order to identify the ambiguities and artefacts that can arise in the reconstruction process and to find ways to manage them. We have then analyzed experimental spectrograms previously obtained through the ionization of neon atoms. This study allowed us to confirm quantitatively the origin of the instrumental decoherence observed so far in these experiments. Finally we have for the first time reconstructed a photoelectron density matrix obtained by the ionization of both the 2s and 2p shells of neon.Depuis leur première observation au début des années 2000, les impulsions lumineuses attosecondes (1 as = 10^-18 s) dans le domaine de l'ultraviolet extrême (XUV) ont révolutionné l'étude de la dynamique électronique dans les atomes et les molécules. La spectroscopie attoseconde basée sur la photoionisation assistée par laser a permis d'observer des processus ultrarapides tels que les délais temporels dans l'effet photoélectrique. Cette approche consiste à mesurer l'énergie cinétique des photoélectrons émis lors de l'ionisation d'atomes ou de molécules par une impulsion attoseconde combinée à une impulsion laser. Bien que le photoélectron émis se comporte comme un paquet d'ondes quantique, sa cohérence est souvent dégradée pour des raisons à la fois instrumentales et quantiques. L'objectif de ce travail est de développer et d'appliquer des outils computationnels pour extraire les informations de décohérence, sous forme de matrice de densité électronique, à partir des spectres d'énergie cinétique des photoélectrons. Dans cette perspective, il est crucial d'évaluer la fiabilité de ces outils numériques. Nous avons donc réalisé une étude théorique afin d'identifier les ambiguïtés et les artefacts susceptibles de surgir dans le processus de reconstruction et de trouver des moyens de les gérer. Nous avons ensuite analysé des spectrogrammes expérimentaux obtenus précédemment lors de l'ionisation des atomes de néon. Cette étude nous a permis de confirmer quantitativement l'origine de la décohérence instrumentale observée jusqu'à présent dans ces expériences. Enfin, nous avons pour la première fois reconstruit une matrice de densité de photoélectrons obtenue par l'ionisation des sous-couches 2s et 2p du néon
Enhanced Light–Matter Interaction in Metallic Nanoparticles: A Generic Strategy of Smart Void Filling
No full textInternational audienc
Ultrafast laser-induced anisotropic charge transport dynamics in laser structured materials, probed by terahertz pulses
No full textThe observation of excitation in laser–material interactions is essential both for understanding the fundamental response of solids to ultrashort laser radiation and for developing advanced laser-processing technologies. Electronic excitation mediates energy transfer within the solid and must be well characterized, especially in ultrafast regimes. Among various optical techniques, Terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) is a powerful tool that directly measures transient electric fields in the THz range. Since THz radiation couples efficiently to free carriers, it provides a sensitive probe for carrier dynamics even at low excitation levels.This thesis investigates carrier transport with emphasis on anisotropies in the electronic response, originating either from crystalline symmetry or from laser-induced surface structuring. Such anisotropies affect the dielectric function and carrier relaxation. THz pulses serve as probes of charge transport induced by optical excitation. A THz-TDS platform was developed and optimized, capable of generating and detecting ~2 ps THz pulses with a bandwidth of 2.8 THz. The setup was validated by measuring the refractive index and absorption coefficient of reference materials in the THz range.The THz pulses were then used to probe charge-transport dynamics following ultrafast excitation in Zinc Telluride (ZnTe) crystals, both pristine and surface-structured. Charge carriers are generated by two-photon absorption (TPA) of femtosecond laser pulses in semi-insulating ZnTe. The dynamics are measured via THz transmission as a function of the optical pump–THz probe delay.Anisotropy manifests as modulation of the THz transmission with the orientation of the ZnTe crystal relative to the pump polarization. The variation in transmission arises from free-carrier absorption (inverse Bremsstrahlung) of the THz field in the photo-excited electron–hole plasma, representing an intrinsic anisotropy. The experimental results are interpreted using a model based on Drude theory combined with the polarization-dependent TPA coefficient.A second modulation, of extrinsic origin, results from laser-induced periodic surface structures (LIPSS or “ripples”) with sub-wavelength periodicity. These surface patterns significantly modify the free-carrier absorption, the anisotropic oscillations of THz transmission, and the relaxation dynamics.Overall, this work demonstrates that both intrinsic crystalline anisotropy and extrinsic surface structuring strongly influence charge-carrier transport observed through THz-TDS. The results contribute to a better understanding of energy-transfer mechanisms in ultrafast laser–material interactions and provide insight for the controlled development of laser-based micro- and nanostructuring technologies.L’observation des phénomènes d’excitation au cours des interactions laser–matière est essentielle, à la fois pour comprendre la réponse fondamentale des solides soumis à des impulsions laser ultracourtes et pour développer des technologies avancées de micro- et nanostructuration. L’excitation électronique gouverne le transfert d’énergie dans le solide et doit être caractérisée avec précision, en particulier dans les régimes ultrarapides. Parmi les différentes techniques optiques, la spectroscopie térahertz résolue en temps (THz-TDS) constitue un outil puissant permettant de mesurer directement les champs électriques transitoires dans la gamme térahertz. Comme le rayonnement THz se couple efficacement aux porteurs libres, il offre une sonde sensible de leur dynamique, même à faible niveau d’excitation.Cette thèse étudie le transport des porteurs de charge en mettant l’accent sur les anisotropies de la réponse électronique, d’origine soit cristalline, soit induite par une structuration laser de surface. Ces anisotropies modifient la fonction diélectrique ainsi que les mécanismes de relaxation des porteurs. Les impulsions THz servent ici de sondes du transport de charge déclenché par une excitation optique. Une plateforme THz-TDS a été développée et optimisée, capable de générer et de détecter des impulsions d’environ 2 ps avec une bande passante de 2,8 THz. Le dispositif a été validé par la mesure de l’indice de réfraction et du coefficient d’absorption de matériaux de référence dans la gamme THz.Les impulsions THz ont ensuite été utilisées pour sonder la dynamique de transport de charge dans des cristaux de tellurure de zinc (ZnTe), à la fois massifs et structurés en surface. Les porteurs sont générés par absorption à deux photons (TPA) d’impulsions laser femtoseconde dans le ZnTe semi-isolant. La dynamique est enregistrée par la transmission THz en fonction du délai pompe-sonde optique-THz.L’anisotropie se manifeste par une modulation de la transmission THz en fonction de l’orientation du cristal de ZnTe par rapport à la polarisation du faisceau pompe. Cette variation résulte de l’absorption par porteurs libres (Bremsstrahlung inverse) du champ THz dans le plasma électron-trou photo-excité, traduisant une anisotropie intrinsèque. Les résultats expérimentaux sont interprétés à l’aide d’un modèle fondé sur la théorie de Drude combinée au coefficient TPA dépendant de la polarisation.Une seconde modulation, d’origine extrinsèque, provient des structures périodiques induites par laser (LIPSS ou « ripples ») présentant une périodicité sub-longueur d’onde. Ces motifs de surface modifient profondément l’absorption par porteurs libres, les oscillations anisotropes de transmission THz ainsi que les dynamiques de relaxation associées.Dans l’ensemble, ce travail démontre que l’anisotropie cristalline intrinsèque et la structuration de surface extrinsèque influencent fortement le transport des porteurs observé par THz-TDS. Les résultats apportent une meilleure compréhension des mécanismes de transfert d’énergie dans les interactions laser–matière ultrarapides et ouvrent des perspectives pour un contrôle optimisé des procédés de micro- et nanostructuration assistés par laser
Caractérisation et mesure embarquée du jitter d'horloge utilisé comme source d'aléa par les TRNGs
No full textWe now communicate with anyone, anywhere and at any time. This has provoked a revolution in the way we do business, socialize, and share information and with it new threats to our privacy and security.Cryptography is the science of ciphering information to protect it from unauthorized access. A cryptographic system is always subject to a set of fundamental principles. Notably, the Kerckhoff Principles require, that the cryptographic system must only rely on the key to prevent unwanted entities from deciphering the information. Evidently, the key must be unpredictable by an unwanted entity. The best way to achieve unpredictability is by making the key random. However, generating a random value is not a straight-forward matter.We can distinguish two types of Random Number Generators (RNGs) depending on theway the numbers are generated. On one hand, Pseudo-Random Number Generators (PRNGs) use complex mathematical functions that generate a seemingly random number from an input value called seed. On the other hand, True Random Number Generators (TRNGs) use a random phenomenon to create their outputs. The random phenomenon can be non-physical or physical. The generators that exploit the latter can be implemented in electronic circuits exploiting a physical phenomenon present in the hardware. In this thesis, we will focus on this type of TRNG and refer to it as such.As stated in the previous paragraph, the performance of a TRNG relies on how randomits source is. Consequently, the evaluation and monitoring of the randomness source of a TRNG is imperative to ensure a minimum entropy. According to current standards, a measurement of the lower entropy bound of the randomness source is required. Although, this lower entropy bound cannot be directly measured, it can be estimated through the use of a stochastic model of the TRNG. This stochastic model is a mathematical (statistical) description of the output of a TRNG. This model can tell, given certain parameters, what is the probability of obtaining a given sequence of bits at the output of the TRNG. The key to understanding why this problem is not straight forward lies in the "certain parameters" that one should feed the stochastic model.In this thesis we will focus on jitter-based TRNGs. These TRNGs use frequency instabilityof an oscillator as a source of randomness. This frequency instability is translated in the time domain as a fluctuation of the period of an oscillating signal, alsoknown as clock jitter. In other words, each period of an oscillator is a random variable. Specifically, we will consider TRNGs that exploit the jitter of ring oscillators as they are very commonly used. This type of oscillator is very susceptible to electronic noise. Therefore, they are very prone to jitter. Stochastic models of TRNGs based on the jitter of ring oscillators require as one of their inputs parameters the magnitude of the thermal jitter of the oscillators used as randomness source. In other words, the lower entropy bound is a function of the thermal jitter, i.e. the jitter coming from thermal noise. It is clear that a precise trustful measurement of thermal component of the jitter is needed.The need for the measurement of the thermal jitter is a current and important matter ofindustrial relevance. This thesis addresses this need. Specifically, we compared existing jitter measurement method to discover that none of the previously proposed method is suitable for our very stringent purposes. Consequently, we proposed a new jitter measurement method that can measure the jitter inside the chip, with a very high resolution, using few resources and avoiding at most the influence of unwanted noise sources at the origin of the jitter. However, we noticed that one particular undesired noise source (flicker noise) is not negligible in modern transistors, even when using a highly adapted method as the one we proposed.La cryptographie est la science qui consiste à chiffrer des informations pour les protéger contre tout accès non autorisé. Un système cryptographique est toujours soumis à un ensemble de principes fondamentaux. Notamment, les principes de Kerckhoff exigent que le système cryptographique ne repose que sur la clé pour empêcher les entités indésirables de déchiffrer les informations. Évidemment, la clé doit être imprévisible par une entité indésirable. La meilleure façon d'atteindre cette imprévisibilité est de rendre la clé aléatoire. Pourtant, générer une valeur aléatoire n’est pas une tâche simple. Les générateurs de nombres véritablement aléatoires physiques (TRNG) peuvent être mis en œuvre dans des circuits électroniques exploitant un phénomène physique présent dans le matériel. Dans cette thèse, nous nous concentrerons sur ce type de TRNG et nous y référerons comme tel.La performance d'un TRNG dépend de la qualité aléatoire de sa source. Par conséquent, l'évaluation et la surveillance de la source de l'aléa d'un TRNG sont impératives pour garantir un minimum d'entropie. Selon les normes actuelles, une mesure de la limite inférieure de l'entropie de la source de l'aléa est requise. Bien que cette limite inférieure de l'entropie ne puisse pas être mesurée directement, elle peut être estimée à l'aide d'un modèle stochastique du TRNG. Ce modèle stochastique est une description mathématique (statistique) de la sortie d'un TRNG. Ce modèle peut indiquer, étant donné certains paramètres, quelle est la probabilité d'obtenir une séquence donnée de bits à la sortie du TRNG. La clé pour comprendre pourquoi ce problème n'est pas simple réside dans les "certains paramètres" que l'on doit fournir au modèle stochastique. Dans cette thèse, nous nous concentrerons sur les TRNG basés sur le jitter. Ces TRNG utilisent l'instabilité de fréquence d'un oscillateur comme source d'aléa. Cette instabilité de fréquence se traduit dans le domaine temporel par une fluctuation de la période d'un signal oscillant, également connue sous le nom de jitter d'horloge. En d'autres termes, chaque période d'un oscillateur est une variable aléatoire. Plus précisément, nous considérerons les TRNG qui exploitent le jitter des oscillateurs en anneau car ils sont très couramment utilisés. Ce type d'oscillateur est très sensible au bruit électronique, i.e. ils sont susceptibles au jitter. Les modèles stochastiques des TRNG basés sur le jitter des oscillateurs en anneau nécessitent comme l'un de leurs paramètres d'entrée la magnitude du jitter thermique des oscillateurs utilisés comme source d'aléa. En d'autres termes, la limite inférieure de l'entropie est une fonction du jitter thermique, c'est-à-dire du jitter provenant du bruit thermique. Il est clair qu'une mesure précise et fiable de la composante thermique du jitter est nécessaire.La nécessité de mesurer le jitter thermique est une question actuelle et importante de pertinence industrielle. Cette thèse répond à ce besoin. Plus précisément, nous avons comparé les méthodes de mesure du jitter existantes pour découvrir qu'aucune des méthodes précédemment proposées n'est adaptée à nos objectifs très stricts. Par conséquent, nous avons proposé une nouvelle méthode de mesure du jitter qui peut mesurer le jitter à l'intérieur de la puce, avec une très haute résolution, en utilisant peu de ressources et en évitant au maximum l'influence des sources de bruit indésirables à l'origine du jitter. Cependant, nous avons remarqué qu'une source de bruit indésirable particulière (le bruit de scintillement) n'est pas négligeable dans les transistors modernes, même en utilisant une méthode hautement adaptée comme celle que nous avons proposée
The quest for resolution: a dynamic view on ultrafast laser extreme volume nanostructuring
No full textInternational audienc
Design of composite optical nanofibers for new all-solid-state Raman wavelength converters
No full textInternational audienceWe present the design of composite optical nanofibers (ONF) coatedwith thin layers of nonlinear materials, Titanium dioxyde (TiO2)and Polymethyl methacrylate (PMMA), for the realization of newall-solid Raman wavelength converters for an emission around 1.5lm. Our simulations show that Stimulated Raman Scattering can beobtained with moderate input peak powers, typical ONF geometricalparameters, and layer thicknesses deposited which aretechnologically achievable: a few tens of nm for TiO2 and a fewhundreds of nm for PMMA. This study enlarges the field ofapplications of ONF in nonlinear optics and lasers by opening theway to the coating by other materials such as doped polymer
Mesure confocale chromatique : étude des paramètres d'influence et extension du fontionnement aux conditions extrêmes
No full textThe French energy mix by 2035 will integrate the intermittent contribution of renewable energies. This results in a need for greater flexibility in nuclear energy production. In this context, to understand the dynamics of fuel cladding deformation, experiments are planned in test reactor facilities, such as in the future Jules Horowitz Nuclear Research Reactor. The ultimate goal of this work is to propose a sensor that allows real-time, non-intrusive measurement of fuel cladding swelling in such a nuclear reactor. The type of sensor identified is an optical sensor, allowing precise and contactless measurement: the confocal chromatic sensor. The sensor proposed in this thesis differs from those commercially available as it will perform in a very harsh environment (conditions representative of pressurized water research reactors). Moreover, this sensor must be very small in size (diameter of 4 mm) to be positioned between the wall of the test device and the controlled fuel cladding. The final sensor must allow a measurement range of 1.5 mm. Irradiation at Belgian Reactor 2 has enabled in-line characterization of the glasses identified as candidates for this future sensor. Post-mortem measurements will be carried out later. The "Optic Studio" software is used to design a first prototype of a miniature sensor, all in silica and performing in an environment at 350°C. Further studies and tests will be necessary to converge towards the overall realization of the final sensor.Le mix énergétique français à horizon 2035 intègrera l’apport intermittent des énergies renouvelables. Il en résulte un besoin de plus grande flexibilité de la production d’énergie nucléaire. Dans ce contexte, pour connaitre la dynamique de déformation des gaines de combustible, des expériences sont prévues dans des dispositifs de tests en réacteurs d’essais, comme dans le futur Réacteur nucléaire de recherche Jules Horowitz. L’objectif ultime de ces travaux de thèse est de proposer un capteur permettant une mesure en temps réel et non intrusive du gonflement de gaines de combustible dans un tel réacteur nucléaire. Le type de capteur identifié est un capteur optique, permettant une mesure précise et sans contact : le capteur confocal chromatique. Le capteur proposé dans cette thèse diffère de ceux disponibles dans le commerce car il sera performant dans un environnement très sévère (conditions représentatives des réacteurs à eau pressurisée de recherche). De plus, ce capteur doit être de très petites dimensions (diamètre de 4 mm) pour venir se positionner entre la paroi du dispositif de test et la gaine de combustible contrôlée. Le capteur final doit permettre une plage de mesure de 1.5 mm. Une irradiation au Belgian Reactor 2 a permis de caractériser en ligne les verres identifiés comme candidats pour ce futur capteur. Des mesures post mortem seront réalisées ultérieurement. Le logiciel « Optic Studio » est utilisé pour concevoir un premier prototype de capteur miniature, tout en silice et performant dans un environnement à 350°C. Des études et tests supplémentaires seront nécessaires pour converger vers la réalisation globale du capteur final
Nanophotonique thermochromique pour le contrôle de l'émission thermique
No full textIn this thesis, we propose innovative solutions for thermal management using vanadium dioxide (VO₂), a material with a metal-insulator transition (MIT), to design multilayer coatings whose radiative properties are fully controlled by temperature, without requiring any external energy input.After studying the validity of Kirchhoff's law to predict the thermal emission of anisothermal structures, we propose an innovative design for a VO₂-based glazing system to address the issue of thermal management in buildings. This glazing, self-regulated by the greenhouse effect and the presence of VO₂, demonstrates excellent thermal insulation performance while maintaining good transmission properties in the visible spectrum.Next, we designed, fabricated, and characterized a multilayer coating based on VO₂ for thermal switch applications. This coating exhibits an infrared emissivity opposite to that of bulk VO₂ and is capable of emitting significant heat flux above the critical temperature of VO₂, while emitting much less below this temperature. This type of thermal switch with positive differential emissivity paves the way for numerous applications in radiative cooling and thermal protection.Dans cette thèse, nous proposons des solutions innovantes pour la gestion thermique en utilisant le dioxyde de vanadium (VO₂), un matériau à transition de phase métal-isolant (MIT), afin de concevoir des revêtements multicouches dont les propriétés radiatives sont entièrement pilotées par la température, sans nécessiter d'apport d'énergie externe.Après avoir étudié la validité de la loi de Kirchoff pour prédire l'émission thermique de structures anisothermes, nous proposons une conception innovante de vitrage à base de VO₂ pour répondre à la problématique de la gestion thermique des bâtiments. Ce vitrage, auto-régulé par l'effet de serre et la présence de VO₂, présente d'excellentes performances en termes d'isolation thermique tout en conservant de bonnes propriétés de transmission dans le visible.Ensuite, nous avons conçu, fabriqué et caractérisé un revêtement multicouche à base de VO₂ pour la réalisation de commutateurs thermiques. Ce revêtement présente une émissivité infrarouge inverse à celle du VO₂ massif et est capable d'émettre un flux de chaleur important au-dessus de la température critique du VO₂, tout en en émettant beaucoup moins en dessous de cette température. Ce type de commutateur à émissivité différentielle positive ouvre la voie à de nombreuses applications dans les domaines du refroidissement radiatif et de la protection thermique
