Développement de céramiques transparentes de type niobates dopées aux terres rares : vers de nouvelles sources LASER infrarouges

Development of rare earth doped niobates as transparent ceramics : towards new infrared LASER sources

• Auteur / Autrice : Simon Guené-Girard
• Direction : Véronique. Jubera, Jean-Marc Heintz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 29/01/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac)
• Jury : Président / Présidente : Mario Maglione
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Véronique. Jubera, Jean-Marc Heintz, Mario Maglione, Géraldine Dantelle, Odile Merdrignac, Rémy Boulesteix, Alexandre Maître, Emmanuel Fretel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Géraldine Dantelle, Odile Merdrignac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Luminescence

Frittage (métallurgie)

Métaux des terres rares

Niobium -- Composés

Matériaux céramiques

Mots clés libres

Terres rares

Céramiques transparentes

Niobate

Frittage

Photoluminescence

Holmium

Rare earth

Transparent ceramics

Niobate

Sintering

Photoluminescence

Holmium

Résumé

De nombreuses applications dans le domaine des télécommunications, du médical ou de la défense,requièrent des lasers de puissance dans le moyen infrarouge. Or le catalogue des composés aujourd’huidisponibles restreint quelque peu ce champ d’applications. Depuis ces vingt dernières années, les céramiquestransparentes utilisées en tant que matériaux à gain ont montré leur efficacité et leurs avantages en tant quesolution alternative aux monocristaux LASER. Récemment, le développement des céramiques transparentes decompositions chimiques YAG:Ho, LuAG:Ho, Y2O3:Ho ou encore Lu2O3:Ho a permis l’obtention de matériauxà gain capables de générer des émissions LASER autour de 2 μm.Cette étude est centrée sur le composé de structure fluorine Y3NbO7, isostructural de Lu3NbO7 et dont ladensification totale a été mise en évidence dans la littérature. En effet, outre son intérêt à élargir la gamme delongueurs d’onde accessibles, sa structure cristalline désordonnée lui procure, lorsque dopée par des ions terresrares, des propriétés spectroscopiques intéressantes dans l’optique d’une utilisation en tant que matériau à gain.Ce travail de thèse présente les étapes du développement d’une nouvelle voie de synthèse qui conduit à laproduction d’une poudre de Y3NbO7 pure et de morphologie adaptée à une forte densification. La spectroscopiedes ions Eu3+ est utilisée pour optimiser à la fois les voies de synthèse et les protocoles de mise en forme.Différentes techniques de frittage sont employées. Les résultats obtenus par frittage sous air et Spark PlasmaSintering sont illustrés dans un premier temps. Le HIP et le frittage sous vide permettent dans un second temps,l’obtention des premières céramiques transparentes de Y3NbO7:Ho dont la spectroscopie de luminescence estreportée dans les domaines visible et moyen infrarouge.

Many applications in the field of telecommunications, medical or defense, require lasers of highpower in the mid-infrared. However, the list of compounds actually available restricts this field of applications.For the last twenty years, the transparent ceramics used as gain materials have shown their efficiency andadvantages as an alternative solution to LASER single crystals. Recently, the development of transparentceramics of chemical compositions YAG:Ho, LuAG:Ho, Y2O3:Ho or Lu2O3:Ho has enabled the production ofgain materials capable of generating LASER emissions around 2 μm.This study focuses on the Y3NbO7 fluorine compound, isostructural of Lu3NbO7, the total densification of whichhas been demonstrated in the literature. Indeed, in addition to its interest in widening the range of accessiblewavelengths, its disordered crystalline structure gives, when doped by rare earth ions, interesting spectroscopicproperties in the optics of use as a gain material. This thesis presents the development of a new synthesis routethat leads to the production of a pure Y3NbO7 powder with a morphology adapted to a high densification. Eu3+ion spectroscopy is used to optimize both synthesis pathways and shaping processes. Different sinteringtechniques are performed. First, results obtained under natural air sintering and Spark Plasma Sintering areillustrated. Second, the HIP or vacuum sintering allow obtaining the first transparent ceramics of Y3NbO7:Howhich luminescence spectroscopy is reported in the visible and mid-infrared domains.