Paul Rochon

Paul Rochon
M.
Paul Rochon
BSc, PhD, PEng, Professeur
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Collège militaire royal du Canada
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Description des intérêts actuels en matière de recherche

Le principal objectif de nos recherches est l'étude des propriétés optiques de films polymères minces contenant des molécules d'azobenzène attachées à leur chaîne principale.

Nos travaux sont axés sur l'étude des propriétés fondamentales des azopolymères et sur l'utilisation possible de ces derniers dans la fabrication de dispositifs optiques nouveaux. Le phénomène d'intérêt dans cette étude est l'isomérisation photoinduite de l'azobenzène. Au cours du processus d'isomérisation, la molécule anisotropique linéaire prend une forme courbée isotropique, puis retrouve sa forme linéaire, plus stable, consécutivement à l'absorption de lumière ou de chaleur. Après ce cycle, la molécule se trouvera probablement dans une nouvelle orientation, à moins qu'elle n'ait été fortement contrainte à retourner à une position donnée par la matrice rigide. La réorientation peut être observée en utilisant de la lumière polarisée linéairement pour induire la biréfringence et le dichroïsme. Ce même mécanisme peut aussi mener à l'inscription d'arrangements moléculaires chiraux ou de domaines chiraux dans le film. Ces derniers temps, nous avons étudié ces effets et nous envisageons utiliser ce mécanisme d'orientation moléculaire pour agir avec maîtrise sur l'indice de réfraction local du film polymère. Le mouvement moléculaire photoinduit a aussi pour effet de déposer de l'énergie thermique localement, même si la température moyenne du film n'est que peu affectée, et le mouvement (et/ou l'énergie) peut agir comme un " moteur " pour produire divers effets macroscopiques résultant du mouvement de masse au sein de la matrice polymère.

Les travaux actuels portent sur l'étude du mouvement de masse photoinduit, plus particulièrement sur les réseaux et motifs à relief de surface induits dans les films minces. En parallèle, nous étudions l'application de dispositifs optiques fondés sur l'azobenzène à la modulation de la lumière par la lumière. Dans ces travaux, les films d'azobenzène sont employés comme dispositifs optiques - pouvant être fabriqués ou modifiés sur place - pour l'étude de diverses conceptions d'optiques à des fins de modulation optique.

Biréfringence photoinduite

La molécule d'azobenzène se trouve généralement sous la conformation trans, laquelle peut être considérée comme étant uniaxiale. Lorsque cette molécule est exposée à la lumière visible, elle peut subir une photoisomérisation et passer à la conformation cis. La molécule peut ensuite revenir à la conformation trans consécutivement à une transformation induite thermiquement ou optiquement. Une fois ce cycle complété, la molécule peut se trouver dans une nouvelle orientation. Ce processus peut être utilisé pour agir sur l'orientation macroscopique des molécules d'un film. Lorsque de la lumière polarisée linéairement est utilisée pour activer le cycle de photoréorientation trans-cis, seules les molécules se trouvant dans la direction de la polarisation absorbent de la lumière et subissent un changement d'orientation. De cette façon, il est possible de réduire le nombre de molécules orientées parallèlement à la direction de la polarisation et d'augmenter le nombre de molécules orientées perpendiculairement à cette direction. Il s'ensuit un dichroïsme et une biréfringence observables macroscopiquement dans la région du film où une réduction du nombre de molécules a eu lieu. Ces dernières années, nous avons étudié cet effet afin de quantifier ce mécanisme et de fabriquer des films polymères permettant de recueillir de l'information holographique relative à la polarisation et pouvant être utilisée dans des applications photoniques. Nous avons réalisé l'étude systématique de polymères à chaine latérale et nous avons montré qu'il était possible d'induire ou d'annuler optiquement une biréfringence très stable. Nous avons constaté une stabilité d'image pour des températures pouvant aller jusqu'à la température de transition vitreuse du polymère. Nous avons récemment démontré qu'un hologramme de polarisation pouvait être enregistré, et que l'information relative à la polarisation pouvait être récupérée; par exemple, nous avons séparé la lumière selon sa chiralité. Nous avons synthétisé divers polymères ayant une température de transition aussi élevée que 265 oC et nous avons montré qu'il était possible d'induire une biréfringence stable dans ces films. Nous avons modélisé la dynamique du processus et nous avons constaté qu'un modèle cinématique biexponentiel suffisait pour expliquer les résultats. Nous en avons conclu que dans les polymères cristallins non liquides, deux mécanismes étaient responsables de la relaxation de la biréfringence photoinduite. Bien que des modèles de haute technicité existent, l'environnement moléculaire dans les films polymères est tellement complexe qu'un trop grand nombre de paramètres doivent être pris en compte dans les données, et l'on en tire aucune information nouvelle. Certains cas nécessitent une exponentielle étirée; par exemple, lorsque des effets comme la cristallinité liquide entrent en jeu. Nous avons également essayé d'améliorer certaines propriétés des films d'azopolymère en concevant et synthétisant des polymères contenant des unités d'azobenzène convenant à des besoins spécifiques. Afin d'accroître la biréfringence photoinduite, d'augmenter la stabilité d'image et de réduire l'absorbance dans le visible, nous avons étudié le mouvement coopératif de molécules non absorbantes placées à proximité de l'azobenzène. Au moyen de mesures prises dans le visible et dans l'infrarouge, nous avons montré que les molécules non absorbantes se déplacent avec les molécules d'azobenzène, et qu'il est possible de maintenir une biréfringence élevée et stable tout en réduisant l'absorbance du film. Nous avons également montré que les polymères à température de transition vitreuse élevée, contenant de l'azobenzène dans leur chaîne principale, montraient aussi une biréfringence photoinduite très stable, fait étonnant, car nous pensions que la chaîne principale empêcherait la réorientation des azobenzenes. Les résultats ont été confirmés par des mesures dans le visible et dans l'infrarouge. Nous avons également montré qu'en augmentant l'espace entre l'azobenzène et la chaîne principale du polymère, le film polymère pouvait présenter des phases cristallines liquides. Il est possible d'induire dans ces films une forte biréfringence d'une très grande stabilité. Il est toutefois difficile d'effacer l'image. Nous avons également pris part à une étude sur le dichroïsme circulaire photoinduit, propriété récemment observée dans des polymères cristallins liquides. Nos résultats montrent qu'il est possible d'agir directement sur le dichroïsme circulaire au moyen d'une lumière polarisée circulairement, et qu'un ordre chiral peut être directement induit ou modifié. Ces résultats doivent être expliqués de manière satisfaisante. Nous nous sommes également intéressés à la possibilité d'agir sur les affichages à cristaux liquides en utilisant de l'azobenzène en solution ou sous forme de film. Dans les deux cas, nous avons montré qu'il était possible de modifier directement l'orientation des cristaux liquides avec de la lumière.

Réseaux à relief de surface

En 1994, nous avons découvert que les structures à relief de surface, comme les réseaux, pouvaient être optiquement inscrites sur les films polymères en utilisant de la lumière d'intensité moyenne.

Depuis lors, nous avons participé à des études systématiques pour comprendre le mécanisme à l'origine de ce phénomène. Nous avons proposé un modèle pour expliquer la formation des réseaux. Il s'agit d'un modèle en deux étapes : la première consiste à émettre l'hypothèse selon laquelle la lumière peut produire, dans le film, une force pouvant conduire à la formation des réseaux, la dynamique pouvant être décrite au moyen des équations de Navier Stokes; la seconde consiste à identifier les mécanismes pouvant produire une force interne conduisant à l'écoulement. La première étape semble expliquer la dynamique de manière raisonnable. Ces trois dernières années, nous avons approfondi l'étude de la formation du relief de surface en utilisant des modèles d'écoulement de fluide et en posant comme hypothèse que la lumière produit une force sinusoïdale dans le film polymère. Cette étude a été entreprise en collaboration avec le groupe du Dr Ulli Pietsch de Siegen (Allemagne). Ce groupe travaille sur la diffusion de rayons X à angle faible, sur la modélisation de l'écoulement d'un fluide et, avec nous, sur la diffusion de la lumière. Lors de la modélisation, et pendant l'expérimentation, on a observé que lorsque le polymère s'écoule, la masse volumique n'est pas uniforme et qu'elle varie de façon importante (variations pouvant aller jusqu'à 15 %) dans les régions où il y a accumulation de matière ou appauvrissement en matière. C'est donc que l'inscription de réseaux à relief de surface est accompagnée de la formation d'un réseau de zones de masses volumiques pouvant entraîner une diffraction de la lumière avec autant d'efficacité que le réseau à relief de surface. De plus, nous avons observé, d'une part, que lorsque nous chauffons le film au-delà de sa température de transition vitreuse, la tension superficielle est suffisante pour que la matière s'écoule et que le réseau de surface " s'efface " et, d'autre part, qu'il y avait croissance d'un réseau de masses volumiques à l'intérieur des azopolymères polaires menant à l'obtention d'un film plat contenant un réseau périodique de masses volumiques (ce qui rappelle les réseaux de fibres de Bragg (FBG), mais ici la variation de masse volumique est de 0,15 et non pas de 0,001). Nous avons observé que, dans notre polymère classique, auquel est attaché l'azobenzène sur la chaîne latérale du type méthacrylate, la lumière provoque un déplacement du polymère des zones de haute intensité aux zones de faible intensité.

Le comportement inverse a été observé lorsque l'espace entre la molécule d'azobenzène et la chaîne était augmenté pour accroître le mouvement moléculaire. Nous pensions que ce comportement pouvait être le résultat d'un mécanisme d'agrégation se déroulant lorsque les conditions permettent aux molécules d'azobenzène polaires de cristalliser.

Nous tirons aussi profit du fait que nous inscrivons optiquement de multiples réseaux et structures sur une même zone dans nos installations. Nous pouvons aussi concevoir, fabriquer et mettre à l'essai de nombreuses configurations optiques pour de nouvelles applications. Nous avons réussi à inscrire des guides d'ondes sur des surfaces ondulées afin d'obtenir des structures optiques résonantes agissant comme des brides, des filtres et des gabarits à relief de surface. Nous envisageons nous concentrer sur des structures de types réseaux multiples. Plus particulièrement, nous superposerons deux réseaux sur une même zone afin de produire deux ondes en contre-propagation dans le guide d'ondes sous-jacent. Dans ce cas particulier, nous aurons produit une onde stationnaire dans la structure résonante ce qui aura pour effet d'augmenter localement l'intensité du champ et d'améliorer la sensibilité des dispositifs aux effets non linéaires et aux perturbations. Les guides d'ondes sous-jacents seront fabriqués à partir de divers matériaux suivant l'application à laquelle ils seront destinés. Nos travaux seront d'abord concentrés sur les films piézoélectriques pour la modulation de champs électriques, sur les films optiquement non linéaires pour la génération de seconde harmonique et la modulation optique, sur les films dopés avec des colorants fluorescents pour l'obtention de structures laser à rétroaction distribuée améliorées. Outre ces travaux, nous poursuivrons nos recherches en utilisant des films optiquement structurés comme substrats ou gabarits pour agir sur la propagation des plasmons de surface dans les films métalliques déposés sur une surface. Dans ce contexte, nous sommes tout particulièrement intéressés à améliorer les capteurs fondés sur le principe de la résonance de plasmons de surface pour des molécules spécifiques déposées sur une surface.

Publications et Présentations orales récentes

  • P. Rochon. Photoinduced motion in azobenzene containing polymers. Université Seigen, depertement de physique, Siegen, Allemagne, juillet 2006.
  • P. Rochon, L. Levesque. Multiple surface gratings on azopolymers for generating surface plasmons. Photonics North, Ville de Québec, Québec, juin 2006.
  • H. Ye, X. Wang, P. Rochon, M. Xiao. Coupling between semiconductor quantum dots and two-dimensional surface plasmons. Phys. Rev. B 72, 201306 (4 pages) (2005).
  • C. Cojocariu, P. Rochon. Thermotropic side-chain liquid crystalline copolymers containing both mono- and bisazobenzene mesogens: Synthesis and properties. Macromolecules 38 (23): 9526-9538 (2005).
  • P. Rochon, M. Ivanov. Infrared-laser induced periodic structures in azobenzene polymer films. Mol. Cryst. Liq. Cryst. 446, 89-98 (2006).
  • L.Lévesque, P.Rochon. Surface plasmon photonic band gap in azopolymer gratings sputtered with gold. JOSA A 22, 2564-2568 (2005).
  • R. Lausten, P. Rochon, M. Ivanov, P. Cheben , S. Janz, P. Desjardins, J. Ripmeester, T. Siebert, A. Stolow. Optically reconfigurable azobenzene polymer fiber Bragg filter. Appl. Opt. 44, 7039-7042 (2005).
  • P. Rochon, L. Levesque. The use of relief gratings to control and observe surface plasmon propagation. Association canadienne des physiciens et physiciennes, Vancouver, Colombie-Britannique, Juin 2005.
  • P. Rochon. Optically inscribed surface relief gratings on azobenzene polymer films. Holography 2005, Varna, Bulgaria, May, 2005.
  • P. Rochon. Infrared-laser induced periodic structures in azobenzene polymer films. 8th International Conference on Frontiers of Polymers and Advanced Materials, Cancun, Mexico, avril 2005.
  • M. Saphiannikova, O. Henneberg, T. Geue, U. Pietsch, Paul Rochon. Nonlinear effects during inscription of azobenzene surface relief gratings. J. Phys. Chem. B 108, 15084-15089 (2004).
  • F. Lagugné-Labarthet, C. Sourisseau, R. D. Schaller, R. J. Saykally, P. Rochon. Chromophore orientations in a nonlinear optical azopolymer diffraction grating: odd and even order parameters from far-field raman and near-field second harmonic generation microscopies. J. Phys. Chem. B108, 17059-17068 (2004).
  • N. Gauthier, P. Rochon. The mechanical energy and momentum of wave pulses in a dispersionless, lossless elastic medium, according to the linear theory. Am. J. Phys., 72, 1227-1231 (2004).
 

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