Thèse soutenue

Conversion d'énergie dans des matériaux dopés terre-rares pour capteur tout optique de gaz

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Auteur / Autrice : Anne-Laure Pelé
Direction : Alain BraudJean-Louis Doualan
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Milieux dilués et optique fondamentale
Date : Soutenance en 2015
Etablissement(s) : Caen
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale structures, informations, matière et matériaux (Caen ; 1992-2016)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la photonique (Caen ; 2008-....)
Jury : Président / Présidente : Patrice Camy
Examinateurs / Examinatrices : Alain Braud, Jean-Louis Doualan, Patrice Camy, Brigitte Boulard, Maurizio Ferrari, Virginie Nazabal
Rapporteurs / Rapporteuses : Brigitte Boulard, Maurizio Ferrari

Résumé

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Ce travail de thèse concerne l’étude de verres chalcogénures à basses énergies de phonons, dopés par des ions terres-rares pour le développement d’un capteur de gaz tout optique grâce à la conversion du signal infrarouge (IR) de détection en un signal proche IR ou visible. Le principe du capteur est le suivant : une diode pompe une fibre chalcogénure dopée Dy3+, entraînant l’émission du signal IR, qui est ensuite envoyé dans la cellule de gaz pour sonder l’absorption du gaz à 4. 4μm. Le signal à 4. 4µm de la sonde est ensuite converti en un signal à 810 nm dans une fibre chalcogénure dopée Er3+ par absorption dans l’état excité en lien avec un pompage simultané à 980 nm. Cette conversion en longueur d’onde rend possible le transport du signal de sonde sur de longues distances par le biais de fibres optiques en silice, augmentant ainsi considérablement les applications possibles. L’étude spectroscopique de fibres GeGaSbS dopées Dy3+ a permis de mettre en évidence le potentiel de la transition 6H11/26H13/2 comme source IR à 4. 4μm. La source IR correspondante, à la longueur d’onde d’absorption du CO2 à 4. 4µm, basée sur ces fibres GeGaSbS dopées Dy3+, a été développée au laboratoire en collaboration avec l’équipe Verre et Céramiques de l’ISCR de Rennes. Afin d’optimiser la fluorescence des fibres Dy3+ dans l’IR, une simulation de la puissance IR générée a été réalisée et l’impact des différents paramètres en jeu sur l’émission du Dy3+ a été étudié en détail. Les résultats du modèle ont ensuite été validés avec succès par comparaison avec des mesures expérimentales. La conversion d’énergie a, quant à elle, été démontrée expérimentalement pour la conversion d’un signal à 4. 4μm en un signal à 810 nm dans des fibres 2S2G dopées Er3+, grâce à une excitation simultanée à 980 nm et 4. 4μm. Une simulation de l’intensité de la fluorescence à 810 nm en fonction des paramètres du montage expérimental et des caractéristiques de la fibre a également été développée. Cette simulation permet de déterminer les paramètres optimaux pour une fluorescence la plus efficace possible à 810 nm mais aussi, de décrire en détail les phénomènes physiques mis en jeu lors de la conversion. En effet, en plus du processus d’absorption dans l’état excité indispensable à la conversion d’énergie, des transferts d’énergie ont lieu, entrainants un signal d’upconversion parasite à 810 nm qui sont en compétition avec la conversion. La conversion d’un signal à 3. 4µm en un signal à 665 nm a également été démontrée dans des verres sulfures dopés Er3+ ainsi que la conversion d’un signal à 4. 4µm en un signal à 810 nm dans un cristal KPb2Cl5 dopé Er3+. Finalement, la conversion d’un signal dans l’IR plus lointain à 10µm a été explorée dans un cristal de KPb2Cl5 dopé Sm3+. Ce travail de thèse concerne l’étude de verres chalcogénures à basses énergies de phonons, dopés par des ions terres-rares pour le développement d’un capteur de gaz tout optique grâce à la conversion du signal infrarouge (IR) de détection en un signal proche IR ou visible. Le principe du capteur est le suivant : une diode pompe une fibre chalcogénure dopée Dy3+, entraînant l’émission du signal IR, qui est ensuite envoyé dans la cellule de gaz pour sonder l’absorption du gaz à 4. 4μm. Le signal à 4. 4µm de la sonde est ensuite converti en un signal à 810 nm dans une fibre chalcogénure dopée Er3+ par absorption dans l’état excité en lien avec un pompage simultané à 980 nm. Cette conversion en longueur d’onde rend possible le transport du signal de sonde sur de longues distances par le biais de fibres optiques en silice, augmentant ainsi considérablement les applications possibles. L’étude spectroscopique de fibres GeGaSbS dopées Dy3+ a permis de mettre en évidence le potentiel de la transition 6H11/26H13/2 comme source IR à 4. 4μm. La source IR correspondante, à la longueur d’onde d’absorption du CO2 à 4. 4µm, basée sur ces fibres GeGaSbS dopées Dy3+, a été développée au laboratoire en collaboration avec l’équipe Verre et Céramiques de l’ISCR de Rennes. Afin d’optimiser la fluorescence des fibres Dy3+ dans l’IR, une simulation de la puissance IR générée a été réalisée et l’impact des différents paramètres en jeu sur l’émission du Dy3+ a été étudié en détail. Les résultats du modèle ont ensuite été validés avec succès par comparaison avec des mesures expérimentales. La conversion d’énergie a, quant à elle, été démontrée expérimentalement pour la conversion d’un signal à 4. 4μm en un signal à 810 nm dans des fibres 2S2G dopées Er3+, grâce à une excitation simultanée à 980 nm et 4. 4μm. Une simulation de l’intensité de la fluorescence à 810 nm en fonction des paramètres du montage expérimental et des caractéristiques de la fibre a également été développée. Cette simulation permet de déterminer les paramètres optimaux pour une fluorescence la plus efficace possible à 810 nm mais aussi, de décrire en détail les phénomènes physiques mis en jeu lors de la conversion. En effet, en plus du processus d’absorption dans l’état excité indispensable à la conversion d’énergie, des transferts d’énergie ont lieu, entrainants un signal d’upconversion parasite à 810 nm qui sont en compétition avec la conversion. La conversion d’un signal à 3. 4µm en un signal à 665 nm a également été démontrée dans des verres sulfures dopés Er3+ ainsi que la conversion d’un signal à 4. 4µm en un signal à 810 nm dans un cristal KPb2Cl5 dopé Er3+. Finalement, la conversion d’un signal dans l’IR plus lointain à 10µm a été explorée dans un cristal de KPb2Cl5 dopé Sm3+.