Femtosecond Laser Direct Writing of Gradient Index Fresnel Lens in GeS2-Based Chalcogenide Glass for Imaging Applications

Texturation directe par laser femtoseconde d'une lentille de Fresnel à gradient d'indice dans un verre de chalcogénure à base de GeS2 pour des applications dans le moyen infrarouge

Pierre Delullier (1, 2) , Guillaume Druart (1) , Florence de La Barrière (1) , Laurent Calvez (3) , Matthieu Lancry (2)

1 DOTA, ONERA, Université Paris Saclay [Palaiseau]
2 ICMMO - Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay
3 ISCR - Institut des Sciences Chimiques de Rennes

Chalcogenide glasses have attracted growing interest for their potential to meet the demands of photonic applications in the Mid-Wavelength InfraRed (MWIR) and Long-Wavelength InfraRed (LWIR) transmission windows. In this work, we investigated the photosensitivity to femtosecond laser irradiation of a dedicated chalcogenide glass, along with its possible applications in micro-optics. In order to address the SWaP problem (Size, Weight and Power), this work took advantage of recent techniques in femtosecond laser direct writing to imprint flat and integrated optical systems. Here, we wanted to simplify an infrared multispectral imaging system which combines a lens array and a filter array. Each channel has a focal length of 7 mm and an f-number of 4. We show in this paper that the chosen GeS2-based chalcogenide glass is very promising for the fabrication of graded index optics by fs-laser writing, and particularly for the fabrication of Fresnel lenses. We note a very important phase variation capacity in this infrared material corresponding to refractive index variations up to +0.055. A prototype of Fresnel GRIN lens with a refractive index gradient was fabricated and optically characterized in the Vis range.

Les verres de chalcogénure ont suscité un intérêt croissant pour leur potentiel à répondre aux exigences des applications photoniques dans les fenêtres de transmission de l'infrarouge moyen (MWIR) et de l'infrarouge lontain (LWIR). Dans ce travail, nous avons étudié la photosensibilité à l'irradiation laser femtoseconde d'un verre chalcogénure dédié, ainsi que ses applications possibles en micro-optique. Afin de résoudre le problème SWaP (Size, Weight and Power), ce travail a profité des techniques récentes d'écriture directe par laser femtoseconde pour imprimer des systèmes optiques plats et intégrés. Ici, nous avons voulu simplifier un système d'imagerie multispectrale infrarouge qui combine un réseau de lentilles et un réseau de filtres. Chaque canal a une distance focale de 7 mm et un nombre d'ouverture de 4. Nous montrons dans cet article que le verre chalcogénure à base de GeS2 choisi est très prometteur pour la fabrication d'optiques à gradient d'indice par écriture laser fs, et en particulier pour la fabrication de lentilles de Fresnel. Nous constatons une capacité de variation de phase très importante dans ce matériau infrarouge correspondant à des variations d'indice de réfraction jusqu'à +0.055. Un prototype de lentille de Fresnel à gradient d'indice de réfraction a été fabriqué et caractérisé optiquement dans le domaine Vis.

Mots clés: Chalcogenide; Optical components; Femtosecond laser writing; IR optics

Mots clés: Verres optiques; Chalcogénure; Composants optiques; Texturation par laser femtosconde; Optique IR

Domaines: Génie des procédés; Optique / photonique

Pierre Delullier, Guillaume Druart, Florence de La Barrière, Laurent Calvez, Matthieu Lancry. Femtosecond Laser Direct Writing of Gradient Index Fresnel Lens in GeS2-Based Chalcogenide Glass for Imaging Applications. Applied Sciences, 2022, 12 (9), pp.4490. ⟨10.3390/app12094490⟩. ⟨hal-03661228⟩