Academic literature on the topic 'Cristaux liquides nématiques'

Le travail présenté dans cette thèse émane du projet SOFTLITE, une collaboration entre la société FASTLITE (sas) et le groupe Optique des Cristaux Liquides (OCL) de l’Institut de Physique de Nice (INPHYNI). L’objectif principal de cette collaboration est de développer de nouveaux dispositifs à base de cristaux liquides, reposant sur des cellules nématiques biréfringentes en couche épaisses, pour compléter/remplacer les dispositifs actuels de manipulation, façonnage et mesure d’impulsions laser ultra-rapides. Dans le cadre de cette thèse, très expérimentale, nous présentons ainsi une caractérisation avancée des propriétés électro-optiques de cellules nématiques épaisses (de 25μm à 250μm). Nous démontrons également la possibilité de contrôler ces cellules de manière thermo-optique, ce qui débouche sur un nouveau modulateur spatial de lumière (LC-SLM). Ce dispositif innovant dépasse l’état de l’art des LC-SLM traditionnels et permet de moduler en phase des impulsions laser multi-octave.Dans un premier temps, la caractérisation des propriétés optiques d’un mélange cristal liquide inconnu est proposée, basée sur l'interférométrie spectrale large bande, pour mesurer la dispersion chromatique de cristaux liquides. La technique permet de déterminer les coefficients qui régissent la variation des indices et indices de groupe en fonction de la longueur d’onde et de la température. En vue de développer une ligne à retard colinéaire adaptée aux impulsions ultra-rapides, une étude des différentes stratégies de commutation électro-optique des cristaux liquides est proposée. En particulier, une stratégie de commutation ON (excitation par un échelon de tension) est étudiée malgré la présence d'un seuil de tension (transition de Frèedericksz). Une dépendance inattendue de ce seuil avec l'épaisseur des cellules est découverte et deux régimes distincts sont déterminés. Les cellules épaisses (> 75 μm) peuvent commuter avec une tension de démarrage inférieure à ce seuil, avec un gain remarquable en excursion en biréfringence. Afin de développer les applications dans le proche et moyen infra-rouge, des cellules optimisées pour cette gamme de longueur d’onde ont été fabriquées. Une fois testées, ces cellules montrent une faible absorption laser par l'électrode (ITO), qui contribue à un échauffement local des cristaux liquides. Leur caractère thermotropique induit ainsi un changement des indices de réfraction. Le déphasage induit génère une structure spatiale en anneaux (modulation de phase spatiale). Le déphasage et, par conséquent, l'excursion de biréfringence sont analysés. De là, la température interne de la cellule est également estimée jusqu'à la transition de phase nématique-isotrope. Cette étude sur la thermotropicité induite optiquement a permis de développer une approche originale d’adressage thermo-optique des cellules. Cette stratégie innovante aboutit au dimensionnement d’un composant réflectif, dans lequel l’absorption de la lumière d’un faisceau d’écriture chauffe les cristaux liquides, tandis qu’un second (faisceau de lecture) est modulé en phase en passant dans la couche de cristal liquide. Ainsi, un nouveau dispositif optique est développé et breveté : THOR-SLM (modulateur de lumière spatiale thermo-optiquement réflectif). Trois premiers prototypes sont fabriqués afin de trouver la configuration la plus performante. Les déphasages spatial, spectral et temporel de ces prototypes sont mesurés par interférométrie. Les remarquables propriétés optiques du dispositif sont finalement exploitées : une large acceptation spectrale avec un déphasage important et continu sans pixellisation. En guise de démonstration, THOR-SLM est inséré dans une ligne à dispersion nulle pour le façonnage d’impulsions laser dont le spectre couvre plusieurs octaves. Un façonnage arbitraire sans précédent est démontré sur une largeur de bande spectrale allant du visible au moyen IR, introduisant des
The work presented in this thesis comes from the SOFTLITE project, a collaboration between the company FASTLITE (sas) and the Optical Group of Liquid Crystals (OCL) of the Institute of Physics of Nice (INPHYNI). The main objective of this collaboration is to develop new liquid crystal devices, based on thick layer birefringent nematic cells, to complement/replace current devices for handling, shaping and measuring ultra-fast laser pulses. In the context of this highly experimental thesis, we present an advanced characterization of the electro-optical properties of thick nematic cells (de 25μm à 250μm). We also demonstrate the ability to control these cells thermo-optically, resulting in a new spatial light modulator (LC-SLM). This innovative device goes beyond the state-of-the-art LC-SLM traditional and can phase modulate laser pulses multi-octave. Firstly, the characterization of the optical properties of an unknown liquid crystal mixture is proposed, based on broadband spectral interferometry, to measure the chromatic dispersion of liquid crystals. The technique makes it possible to determine the coefficients which govern the variation of the indices and group indices as a function of the wavelength and the temperature. In order to develop a collinear delay line adapted to ultra-fast pulses, a study of the different electro-optical switching strategies of liquid crystals is proposed. In particular, a switching strategy ON (excitation by a voltage step) is studied despite the presence of a voltage threshold (Frèedericksz transition). An unexpected dependence of this threshold with the thickness of the cells is discovered and two distinct regimes are determined. Thick cells (> 75μm) can switch with a starting voltage lower than this threshold, with a remarkable gain in birefringence excursion. In order to develop applications in the near and medium infra-red, cells optimized for this wavelength range have been manufactured. Once tested, these cells show low laser absorption by the electrode (ITO), which contributes to local heating of the liquid crystals. Their thermotropic nature induces a change in the refractive indices. The induced phase shift generates a spatial structure composed by rings (spatial phase modulation). The phase shift and, consequently, the birefringence excursion are analyzed. From these, the internal temperature of the cell is also estimated up to the nematic-isotropic phase transition. This study on thermotropicity induced optically allowed to develop an original approach of thermo-optical addressing of cells. This innovative strategy results in the design of a reflective component, in which the absorption of light from a writing beam heats the liquid crystals, while a second (reading beam) is modulated in phase by passing through the liquid crystal layer. Thus, a new optical device is developed and patented: THOR-SLM (thermo-optically reflective spatial light modulator). Three first prototypes are manufactured to find the most efficient configuration. The spatial, spectral and temporal phase shifts of these prototypes are measured by interferometry. The remarkable optical properties of the device are finally exploited: a wide spectral acceptance with a large and continuous phase shift without pixelization. To demonstrate this, THOR-SLM is inserted in a zero-dispersion line to shape a laser pulse with a spectrum spanof several octaves. Unprecedented arbitrary shaping is demonstrated over a spectral bandwidth from visible to IR, introducing positive/negative phase-to-third-order values. These results pave the way for temporal shaping capabilities of femtosecond pulses lasting a few optical cycles

La thèse se concentre sur les effets collectifs des micro-nageurs dans les cristaux liquides nématiques. En utilisant des simulations de Boltzmann sur réseau, nous étudions un système composé de nageurs sphériques au sein d'un cristal liquide nématique. Nos résultats révèlent que le couplage entre les champs de flux du nageur et l'élasticité cristalline liquide peut déstabiliser l'alignement nématique uniforme. Dans l'espace quasi-2D, nous observons l'émergence d'une instabilité dominée par la flexion avec les propulseurs, ce qui est en accord avec les expériences de bactéries dans des films nématiques minces.Après l'ouverture de la troisième dimension, une rupture spontanée de la symétrie chirale est observée ; l'état nématique uniforme devient instable et se transforme en un état cholestérique-like (chiral), caractérisé par une torsion continue dans le champ directeur. Cela est observé à la fois pour les nageurs propulseurs (extensiles) et les nageurs tracteurs (contractiles). En analysant les déformations dans le champ directeur nématique, l'instabilité dominante est identifiée comme étant la torsion-flexion. Nos simulations démontrent que la dynamique des particules et le directeur nématique sont connectés. Dans l'état chiral, tant les nageurs propulseurs que les nageurs tracteurs présentent des trajectoires hélicoïdales.De plus, des stratégies pour contrôler la dynamique des micro-nageurs sont également étudiées. Motivés par des expériences bactériennes, nous considérons des nageurs de types propulseur et tracteur au sein de motifs nématiques. En accord avec les expériences, nos résultats montrent qu'un propulseur présente une trajectoire circulaire dans une flexion pure et une trajectoire linéaire dans un écart pur. Pour un nageur tracteur, un comportement opposé est observé. Enfin, nous explorons le transport de cargaison de particules colloïdales enchevêtrées par des défauts topologiques. Nos simulations suggèrent que le remplacement d'une colloïde passive par un nageur sphérique n'affecte pas le défaut topologique partagé et fournit une mobilité. La particule active est observée pour se lier à la cargaison via un défaut topologique. Avec un nageur propulseur, nous observons un transport guidé le long du directeur nématique, tandis qu'avec un tracteur, un transport perpendiculaire au directeur nématique est observé
The thesis focuses on the collective effects of microswimmers in nematic liquid crystals. Using lattice Boltzmann simulations, we study a system consisting of spherical swimmers within a nematic liquid crystal. Our findings reveal that coupling between the swimmer flow fields and the liquid crystalline elasticity can destabilize the uniform nematic alignment. In quasi-2D space, we observe the emergence of bend-dominated instability with pushers, which is in agreement with experiments of bacteria in thin nematic films.After opening the 3rd dimension, a spontaneous chiral symmetry breaking is observed; the uniform nematic state becomes unstable and transitions into a cholesteric-like (chiral) state, characterized by a continuous twist in the director field. This is observed for both pusher (extensile) and puller (contractile) swimmers. By analyzing the deformations in the nematic director field, the dominant instability is found to be twist-bend. Our simulations demonstrate that the particle dynamics and nematic director are connected. In the chiral state, both pusher and puller swimmers exhibit helical trajectories.Further, strategies for controlling microswimmer dynamics are also studied. Motivated by bacterial experiments, we consider swimmers of both pusher and puller types within nematic patterns. In agreement with experiments, our findings show that a pusher exhibit circular trajectory in a pure bend and linear trajectory in a pure splay. For a puller swimmer, opposite behavior is observed. Finally, we explore cargo transport of colloidal particles entangled by topological defects. Our simulations suggest that replacing a passive colloid with a spherical swimmer does not affect the shared topological defect and provides motility. The active particle is observed to bind to the cargo via a topological defect. With a pusher swimmer, we observe guided transport along the nematic director, while with a puller, transport is observed to be perpendicular to the nematic director

Les cristaux liquides ont été tout le long un terrain fertile pour la recherche scientifique, des mathématiques à la science des matériaux, à l'optique. Leur utilisation ne se limite pas seulement à l'optique d'afficheurs mais s'étend à l'optique non linéaire, par exemple, à la commutation et au routage de faisceaux optiques. En raison de leur extrême sensibilité aux champs électriques, et ce sur une plage de fréquences allant du continu aux fréquences optiques, ils sont aussi utilises comme milieu non linéaires aptes à générer des faisceaux optiques auto-confinés, appelés solitons spatiaux optiques, à de très faibles puissances. Ces faisceaux ont la propriété de se propager sans diffraction, du fait que cette dernière est compensée par l'auto-focalisation non linéaire du milieu, avec formation de guides d'onde auto-induites. Dans les cristaux liquides nématiques, ces guides d'ondes peuvent à leur tours confiner et guider d'autres signaux optiques et peuvent être reconfigurés, soit optiquement, soit électriquement, du fait que la trajectoire des solitons peut être contrôlée par d'autres champs, ouvrant ainsi la voie à la manipulation tout-optique. Récemment, les cristaux liquides nématiques ont été également utilisés avec succès dans l'optique dite singulière, dans laquelle le paramètre clef est la singularité topologique portée par la phase de l'onde électromagnétique. Dans cette thèse, je rendrai compte de mon travail sur les solitons optiques spatiaux et les singularités optiques dans les cristaux liquides nématiques.

Les interactions entre les cristaux liquides et les surfaces solides, qui déterminent la structure finale d'un film nématique tel qu'utilisé dans les applications, sont encore assez mal connues. Pour appréhender d'un point de vue expérimental ces interactions, nous utilisons une technique de réflectivité optique sur des films à gradient d'indice (hybrides). Nous montrons comment l'analyse des courbes de réflectivité (intensité réfléchie par le film en fonction de l'angle d'incidence à l'interface verre nématique) nous permet de déterminer la nature (homogène ou hétérogène) du film, de calculer son épaisseur et de remonter grâce à un calcul numérique, à la distribution angulaire du directeur dans la masse du film. Nous utilisons cette méthode expérimentale sur du nématique (5cb) confiné entre deux lames de verre traitées à l'aide de surfactants (n-htab ou lécithine). La distance entre les deux lames (épaisseur du film) peut être changée continûment. Les distributions expérimentales du directeur ainsi obtenues sont confrontées au modèle de la théorie élastique. Pour le traitement n-htab, les résultats sont en accord avec cette théorie, par contre, pour le traitement lécithine, il y a un désaccord évident près de l'interface. Nous avons trouvé qu'une correction à la théorie élastique en décroissance exponentielle s'accorde bien avec nos résultats expérimentaux. Parmi les différents modèles théoriques qui conduisent à une telle correction en exponentielle décroissante, seul celui faisant intervenir la notion de double couche électrique et de flexoélectricité semble convenir au vu des ordres de grandeur obtenu.

Les cristaux liquides se retrouvent aujourd’hui dans nombreuses applications. La phase cristal liquide la plus connue et la plus utilisée est la phase nématique. En 2011 une nouvelle phase, la phase Nématique Twist Bend (NTB), a été découverte. Très prometteuse pour de futures applications, elle pourrait stimuler le développement d’une nouvelle génération de dispositifs électro-optiques. Deux problèmes principaux limitent cependant son utilisation. La phase NTB est difficile à orienter sur de grandes surfaces. Un second défi réside dans l’obtention d’une phase NTB stable à température ambiante. Les travaux de cette thèse sont focalisés sur ces deux problématiques.La mauvaise orientation de la phase NTB dans des cellules planaires se traduit par des textures inhabituelles telles que des textures périodiques de type rayures. Pour comprendre l’origine de ces textures nous avons varié la nature et les paramètres (force d’ancrage, pretilt…) des couches d’alignement. Ce travail nous a permis de mettre en évidence et expliquer le rôle de mécanismes de surface modulant les déformations mais également de proposer des ancrages permettant une bonne orientation de la phase NTB sur de grandes échelles.Le second défi a consisté à abaisser la plage de température d’existence de la phase NTB (d’ordinaire voisine de 100°C) jusqu’à l’ambiante. Pour cela, nous avons étudié des mélanges binaires de CB7CB, un composé NTB très utilisé, et de différents smectogènes de type cyanobiphényle. Le diagramme de phase du mélange binaire 8CB/ CB7CB a montré une baisse très forte de la température de transition N/NTB. Certains mélanges sont stables à 25°C ce qui nous a permis de caractériser en détail leurs propriétés optiques, thermiques, diélectriques et élastiques. Les propriétés d’ancrage sont également modifiées fortement par l'ajout de 8CB au CB7CB. Il est ainsi possible d’obtenir facilement un alignement homéotrope d’une phase NTB, habituellement rare et compliqué à obtenir
Liquid crystals are found in important technological applications that are now maturing. The discovery in 2011 of a new nematic phase, the Twist Bend nematic (NTB) phase, could lead to a renewal in the field of liquid crystals applications requiring fast response times. However, the NTB phase is usually found at high temperatures and its alignment is exceedingly difficult to achieve, even in thin cells. The work of this thesis focuses on solving these two problems.The bad alignment of NTB phase in planar cells gives rise to unusual textures such as periodic stripes. In order to understand the origin of those textures, we changed the nature of the alignment layers as well as their parameters (anchoring forces, pretilt…). Our results show that surface mechanisms affect the textural instability of NTB phases in thin planar cells. The instability can even be removed for special anchoring conditions so that NTB phase aligns at large scale.The second challenge was to lower the NTB temperature range (usually close to 100°C) down to room temperature. We studied binary mixtures of CB7CB, a well-known NTB compound, with various cyanobiphenyl smectogens. This allowed us to lower significantly the range of the NTB phase in the 8CB/CB7CB phase diagram, even to the ambient temperature. Optical, thermal, dielectric and elastic properties of such mixtures have been characterized. We also studied their anchoring properties with various substrates and evidenced anchoring transitions on silanized glass that occurs changing the 8CB concentration. In particular, we succeeded in obtaining a quite rare homeotropic anchoring for the NTB phase

Le contrôle de l’alignement des molécules de cristaux liquides (CL) est d’une importance majeure pour la plupart des applications électro-optique comme les afficheurs, les modulateurs et les atténuateurs variables. Ce contrôle est réalisé plus spécifiquement par les interactions entre les molécules de CL et la surface adjacente. L’alignement par la surface est ainsi un des facteurs clés pour l’amélioration des performances des systèmes basés sur les CL. Cette thèse rapporte une étude expérimentale sur le contrôle de l’alignement des molécules de CL par la surface, et explore des avenues pratiques. Dans un premier temps, des CL nématiques à double fréquence (DF-NLC) et des films minces de mésogènes réactifs (MR) déposés sur la surface intérieure d’une cellule, ont été utilisés pour produire des structures polymères stabilisées en surface. Pour former ces structures, une interpénétration partielle entre les molécules de CL et de MR a été réalisée pendant l’application d’un couple diélectrique (positif ou négatif) sur le système de matériau. Après une courte période d’interpénétration entre la couche de MR et les CL, une exposition UV a été appliquée pour polymériser totalement le système de matériau. Ces systèmes ont démontré un fort potentiel pour le contrôle de l’alignement des CL par la surface. Ils permettent la « programmation » de cellule de CL présentant une diffusion de la lumière électriquement contrôlable, pouvant être utilisé dans des applications telles que des fenêtres intimités et l’éclairage intelligent. Des analyses électro-optiques et microscopiques ont été faites pour caractériser ces structures. Nous avons montré que les modulations de contraste de la lumière diffusée, ainsi que la dépendance de la polarisation et les temps de réponses peuvent être améliorées de façon notable par le contrôle à double fréquence. Dans un deuxième temps, des CL chiraux double fréquence (DF-CLC) ont été utilisé pour produire des structures stabilisées en surface, qui, en addition d’une diffusion contrôlable, ont montré des phénomènes de réflexion résonante. Des couches de MR orientées et partiellement polymérisées furent utilisées comme couche d’alignement pour les DF-CLC. Le rôle du temps de pré-polymérisation des MR sur les propriétés des cellules ont été étudiées par des analyses électro-optiques et spectroscopiques. Nos études morphologiques ont démontré que l’interdiffusion des molécules entre la couche de MR et le volume des CL durant le procédé de programmation génère des agrégats polymères sur les surfaces internes de la cellule, qui sont à l’origine de la diffusion contrôlable de la lumière.
Le contrôle de l’alignement des molécules de cristaux liquides (CL) est d’une importance majeure pour la plupart des applications électro-optique comme les afficheurs, les modulateurs et les atténuateurs variables. Ce contrôle est réalisé plus spécifiquement par les interactions entre les molécules de CL et la surface adjacente. L’alignement par la surface est ainsi un des facteurs clés pour l’amélioration des performances des systèmes basés sur les CL. Cette thèse rapporte une étude expérimentale sur le contrôle de l’alignement des molécules de CL par la surface, et explore des avenues pratiques. Dans un premier temps, des CL nématiques à double fréquence (DF-NLC) et des films minces de mésogènes réactifs (MR) déposés sur la surface intérieure d’une cellule, ont été utilisés pour produire des structures polymères stabilisées en surface. Pour former ces structures, une interpénétration partielle entre les molécules de CL et de MR a été réalisée pendant l’application d’un couple diélectrique (positif ou négatif) sur le système de matériau. Après une courte période d’interpénétration entre la couche de MR et les CL, une exposition UV a été appliquée pour polymériser totalement le système de matériau. Ces systèmes ont démontré un fort potentiel pour le contrôle de l’alignement des CL par la surface. Ils permettent la « programmation » de cellule de CL présentant une diffusion de la lumière électriquement contrôlable, pouvant être utilisé dans des applications telles que des fenêtres intimités et l’éclairage intelligent. Des analyses électro-optiques et microscopiques ont été faites pour caractériser ces structures. Nous avons montré que les modulations de contraste de la lumière diffusée, ainsi que la dépendance de la polarisation et les temps de réponses peuvent être améliorées de façon notable par le contrôle à double fréquence. Dans un deuxième temps, des CL chiraux double fréquence (DF-CLC) ont été utilisé pour produire des structures stabilisées en surface, qui, en addition d’une diffusion contrôlable, ont montré des phénomènes de réflexion résonante. Des couches de MR orientées et partiellement polymérisées furent utilisées comme couche d’alignement pour les DF-CLC. Le rôle du temps de pré-polymérisation des MR sur les propriétés des cellules ont été étudiées par des analyses électro-optiques et spectroscopiques. Nos études morphologiques ont démontré que l’interdiffusion des molécules entre la couche de MR et le volume des CL durant le procédé de programmation génère des agrégats polymères sur les surfaces internes de la cellule, qui sont à l’origine de la diffusion contrôlable de la lumière.
The alignment control of liquid crystal (LC) molecules is of great importance for the most of LC based electro-optical applications such as displays, modulators, and variable attenuators. This control realises, particularly, by the interactions between LC molecules and the adjacent surface. This makes the surface alignment one of the key factors for the improvement of LC-based devices’ performance. This PhD thesis reports an experimental study of alignment control of LC molecules by surfaces, and explores the possibility of practical avenues. First, dual frequency nematic LCs (DF-NLC) and thin reactive mesogen (RM) films, cast on internal surfaces of cell substrate, were used to build surface polymer stabilized structures. To form these surface-stabilized structures, a partial interpenetration between the LC and RM molecules was allowed while applying an orienting dielectric torque (positive or negative) to the material system. Then, after a short interpenetration period between the RM layer and the bulk LC, UV exposition was added to definitely cure the material system. These systems demonstrated great potential for the surface alignment control of LCs, enabling the ‘‘programming’’ of LC cells with electrically controllable light scattering, which can be used in privacy windows and smart lighting applications. Electro-optic and microscopic studies were done to characterize these surface-stabilized structures. We showed that the contrasts of light scatter modulation, polarization dependence and response times can be noticeably improved by the dual-frequency control. Afterward, dual frequency chiral LCs (DF-CLC) were used to build surface-stabilized structures, which in addition to the controllable scattering, showed also resonant reflection phenomenon. Partially cured and oriented RM layers were used as alignment layers for DF-CLC. The role of the pre-curing duration of RM in the behavior of the cell was observed by electro-optical and spectroscopic studies. Our morphological studies showed that the molecular interdiffusion between RM layer and bulk LC during the programming process generates polymer aggregates on the cell’s internal surfaces, which are at the origin of formation of controllable light scattering.
The alignment control of liquid crystal (LC) molecules is of great importance for the most of LC based electro-optical applications such as displays, modulators, and variable attenuators. This control realises, particularly, by the interactions between LC molecules and the adjacent surface. This makes the surface alignment one of the key factors for the improvement of LC-based devices’ performance. This PhD thesis reports an experimental study of alignment control of LC molecules by surfaces, and explores the possibility of practical avenues. First, dual frequency nematic LCs (DF-NLC) and thin reactive mesogen (RM) films, cast on internal surfaces of cell substrate, were used to build surface polymer stabilized structures. To form these surface-stabilized structures, a partial interpenetration between the LC and RM molecules was allowed while applying an orienting dielectric torque (positive or negative) to the material system. Then, after a short interpenetration period between the RM layer and the bulk LC, UV exposition was added to definitely cure the material system. These systems demonstrated great potential for the surface alignment control of LCs, enabling the ‘‘programming’’ of LC cells with electrically controllable light scattering, which can be used in privacy windows and smart lighting applications. Electro-optic and microscopic studies were done to characterize these surface-stabilized structures. We showed that the contrasts of light scatter modulation, polarization dependence and response times can be noticeably improved by the dual-frequency control. Afterward, dual frequency chiral LCs (DF-CLC) were used to build surface-stabilized structures, which in addition to the controllable scattering, showed also resonant reflection phenomenon. Partially cured and oriented RM layers were used as alignment layers for DF-CLC. The role of the pre-curing duration of RM in the behavior of the cell was observed by electro-optical and spectroscopic studies. Our morphological studies showed that the molecular interdiffusion between RM layer and bulk LC during the programming process generates polymer aggregates on the cell’s internal surfaces, which are at the origin of formation of controllable light scattering.

Ce memoire est consacre a l'etude des proprietes optiques de cristaux liquides nematiques et ferroelectriques dans l'infrarouge. Une methode de mesure de la birefringence en fonction du nombre d'onde est developpee ; elle permet aussi de determiner les indices de refraction et les coefficients d'absorption. La birefringence de quelques nematiques et de quelques smectiques c chiraux a ete mesuree par cette methode de 2 a 20 microns: elle est constante en dehors des pics d'absorption. L'influence qu'ont sur le contraste, dans les effets electro-optiques, les divers parametres a ete evaluee par simulation numerique. Des modulateurs nematiques et surtout ferroelectriques, fonctionnant dans l'infrarouge, ont ete realises a partir de ces donnees et leurs caracteristiques ont ete mesurees

Le développement rapide du réseau de transport optique nécessite l'introduction de matrices de commutation optique de capacité élevée (quelques dizaines à quelques centaines de ports, voire plus) dans les noeuds de brassage optique. Dans cette perspective, nous nous intéressons aux systèmes en espace libre à base de déflecteurs holographiques à cristaux liquides nématiques. Dans un premier temps, nous présentons les évolutions du contexte réseau et la fonction de brassage optique dans les futurs réseaux de transport WDM (Wevelength Division Multiplexing), ainsi que les différentes technologies employées pour la fabrication de commutateurs optiques. Ensuite, nous décrivons le principe de la déflexion holographique à partir de cellules nématiques, notamment de cellules dites en"PI" ou à alignement parallèle qui permettent des efficacités de diffraction théoriques de 100 %. En nous basant sur les résultats théoriques et expérimentaux, nous définissons les critères pour optimiser les différents paramètres de la cellule à cristal liquide ainsi que pour son adressage éléctrique, et aboutir à la fabrication des déflecteurs performants. Nous décrivons ensuite la réalisation de deux commutateurs 8x8, le premier utilisant des déflecteurs ID transmissifs et le second, des déflecteurs 1D réflectifs à base de cellules LCOS (Liquid Cystal On Silicon), ce dernier faisant partie du projet RNRT CRISTO. Enfin, les résultats obtenus avec ces deux commutateurs permettent d'envisager la réalisation de commutateurs de plus grande capacité utilisant des déflecteurs 2D à base de cellules LCOS. Nous discutons en particulier du dimensionnement. La réalisation de circuits spécifiques pour les déflecteurs 2D étant coûteuse, une démarche prometteuse serait d'adapter les mini-écrans destinés initialement à la projection
The fast development of optical networks requires high capacity optical switches (a few tens to a few hundreds of ports, even more) in optical cross-connect (OXC) nodes. From this point of view, we are interested in free space systems based on holographic deflectors with nematic crystals liquid. First, we present the evolutions of the optical networks, as well as the various technologies used for optical switches. Then, we describe the principle of the holographic deflection with nematic cells, in particular with "PI" or parralel-aligned cells, which allow theoretical diffraction efficiencies of 100%. Using theoretical and experimental results, we define the criteria to optimize the various parameters of the liquid crystal cells as well as its electrical addressing, and to lead to the realization of efficient deflectors. We then describe two 8x8 switches, the first one using transmissive 1D deflectors and the second one, 1D reflective deflectors based on LCOS (Liquid Cystal On Silicon) cells, the last one being part of the RNRT project CRISTO. Finally, the results obtained with these two switches allow enviasging the realization of larger capacity switches using 2D deflectors based on LCOS cells. We discuss in particular their dimensioning. The realization of specific VLSI circuit for 2D deflectors being expensive, a promising step would be to adapt the microdisplays intended initially for projection application

Cette thèse porte sur l’effet Lehmann, un effet hors d’équilibre couplant un gradient de température avec la rotation de la texture de gouttes cholestériques ou nématiques coexistant avec la phase isotrope. Nous avons d’abord caractérisé les couplages thermomécaniques de Leslie, Akopyan et Zel’dovich en mesurant en phase cholestérique la vitesse de rotation des molécules dans deux configurations invariantes par translation avec des orientations différentes.Nous avons ensuite caractérisé la texture des gouttes observées dans l’expérience de Lehmann en nous basant sur des observations optiques et des simulations numériques. Plus important, nous avons montré pour la première fois qu’il est possible d’observer l’effet Lehmann dans des gouttes nématiques achirales, à condition que la texture interne soit torsadée. Nous avons aussi utilisé un montage de photoblanchiment afin de montrer qu’il n’y a pas d’écoulements visibles au voisinage des gouttes. Ceci montre que la rotation observée est due à une rotation locale des molécules – pas à une rotation solide des gouttes.Enfin, nous avons proposé un modèle théorique « à la Leslie » de l’effet Lehmann incluant les termes de couplage thermomécanique d’Akopyan et Zel’dovich. En appliquant ce modèle généralisé aux textures calculées numériquement, nous avons ajusté les vitesses de rotation mesurées expérimentalement et avons trouvé des valeurs pour les constantes de couplage thermomécanique bien plus grandes que celles mesurées en dessous de la transition cholestérique/isotrope. Cela montre que ce modèle est faux et que le paradigme de Leslie doit être définitivement abandonné
This thesis is focused on the Lehmann effect, an out-of-equilibrium effect which couples a temperature gradient with the rotation of the internal texture of liquid crystal droplets in coexistence with the isotropic phase. First, we characterized the thermomechanical couplings of Leslie, Akopyan and Zel'dovich by measuring the rotation velocity of the molecules in two translationally invariant configurations withdifferent orientations, below the cholesteric/isotropic transition.Then, we characterized the texture of the droplets observed in the Lehmann experiment, both usingoptical observations and numerical simulations. More important, we showed for the first time that it is possible to observe the Lehmann effect in achiral nematic droplets, providing that the internal texture ischiral. We also used a photobleaching experiment to show that there is no visible flow in the vicinity ofthe droplet, which implies that the texture rotation is due to a local rotation of the molecules -- not to asolid rotation of the droplet. Finally, we proposed a theoretical model of the Lehmann effect based on the thermomechanical coupling of Leslie, Akopyan and Zel’dovich. By applying this model to the numerically computed textures, we fitted the measured rotation velocities and found values for the thermomechanical coupling constants much bigger than those measured below the cholesteric/isotropic transition. This shows that this model is incorrect and that the Leslie paradigm must be abandoned

Ce chapitre aborde l’apparition des textures chirales dans les nématiques constitués de molécules achirales. Les travaux de Pasteur ont donné naissance à l’idée reçue selon laquelle l’activité optique des matériaux résulte uniquement de la chiralité moléculaire. Les observations de textures chirales dans les nématiques lyotropes achiraux discutées dans ce cinquième chapitre rompent avec cette idée reçue et ouvrent de nouvelles perspectives.

Ce chapitre traite des effets thermomécaniques et thermohydrodynamiques dans les cholestériques et les nématiques déformés soumis à un gradient thermique. Plusieurs expériences statiques ou dynamiques sur la déformation, la rotation ou la translation de textures torsadées (TICs et doigts) sont analysées et démontrent que ces effets ne peuvent expliquer la rotation Lehmann des gouttes cholestériques.

La Texture Furcelle (the dowser texture) doit son nom à sa ressemblance avec l’outil en bois des sourciers (dowser). Etant sensible aux champs vectoriels, elle est dotée de propriétés inédites : cunéitropisme, rhéotropisme et électrotropisme. La texture furcelle apparaît également comme l’univers naturel des monopôles nématiques dans lequel on peut les générer, les mettre en mouvement et amener aux collisions.