Nanostructures métalliques et effets de composition des verres silicatés pour les capteurs à fibres optiques

Metallic nanostructures and composition effects of silicate glasses for optical fiber sensors

• Auteur / Autrice : Simon Degioanni
• Direction : Dominique Vouagner, Anne-Marie Jurdyc, François Bessueille
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des Matériaux
• Date : Soutenance le 06/07/2015
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Lumière Matière
• Jury : Président / Présidente : Didier Léonard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rose-Marie Sauvage, Alexandre Merlen
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mohamed Bouazaoui, Patrick Simon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sol-gel, Procédé

Couches minces

Raman, Effet augmenté en surface

Silice

Mots clés libres

Capteurs à fibres optiques

Diffusion Raman

SERS

Nanostructures métalliques

Films minces

Sol-gel

Diffusion Brillouin

Verres alumino-sodo-silicatés

Fiber optic sensors

Raman scattering

SERS

Metallic nanostructures

Thin films

Sol-gel

Brillouin scattering

Sodium-alumino-silicate glasses

Résumé

L'objectif de cette thèse est d'étudier des variations de composition de verres ou l'intégration de nanostructures métalliques pouvant présenter un intérêt pour les capteurs à fibres optiques répartis (CFO). Ces capteurs utilisent le coeur des fibres optiques constitué majoritairement de silice (SiO2) pour sonder la température ou les déformations sur des parcours plurikilométriques de fibres. A cette fin, les rétrodiffusions Raman et Brillouin dans les fibres optiques sont utilisées, la diffusion Raman étant sensible aux variations de température et la diffusion Brillouin aux variations de température et de déformation. L'intensité de diffusion Raman peut-être exaltée au contact de nanostructures de métaux nobles, par l'intermédiaire de l'effet SERS (Diffusion Raman Exaltée de Surface) faisant intervenir notamment la résonance plasmon de surface (SPR), oscillation collective des électrons libres à la surface métallique générant une large amplification du champ électrique local. L'intégration de nanostructures métalliques dans les fibres optiques pourrait permettre d'augmenter l'intensité de rétrodiffusion Raman et améliorer les performances des CFO (sensibilité, temps d'intégration…). Une étude sur des échantillons modèles, constitués de substrats SERS nanostructurés d'or et recouvert de silice par dépôt sol-gel, est présentée dans ce manuscrit. Les résultats SERS ainsi obtenus permettent de caractériser le phénomène physique du SERS de SiO2 et de prédire sa potentielle utilité dans les CFO Raman

The purpose of this thesis is to study composition variations of silicate glasses or the integration of metallic nanostructures that may be relevant for distributed fiber optic sensors (FOS). These sensors use optical fiber cores mainly composed of silica (SiO2) to probe temperature or strain on multi-kilometer route fibers. To measure these effects, Raman and Brillouin backscattering in optical fibers are used, Raman scattering being sensitive to temperature variations and Brillouin scattering to temperature and strain variations. Raman scattering intensity may be enhanced in conjunction with noble metal nanostructures via the SERS effect (Surface Enhanced Raman Scattering) which involves surface plasmon resonance (SPR), a collective oscillation of free electrons at the metal surface generating a large amplification of the local electric field. The integration of metallic nanostructures in optical fibers could increase Raman backscattering intensity and improve FOS performance (sensitivity, integration time…). A study on model samples has been performed with SERS substrates consisting of gold nanostructures and coated with a sol-gel oxide deposition (TiO2, SiO2). The obtained SERS results are used to predict the contribution of metallic nanostructures in Raman distributed temperature FOS