Développement et caractérisation de verres et fibres optiques à base de système BaO - Ga2O3 - GeO2 pour les lasers à fibre dans l'infrarouge moyen

Development and characterisation of glasses and optical fibres based on a BaO - Ga2O3 - GeO2 glass system for mid-infrared fiber lasers

• Auteur / Autrice : Samar Aouji
• Direction : Thierry Cardinal, Younés Messaddeq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 16/04/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Université Laval (Québec, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac)
• Jury : Président / Présidente : Gaëlle Delaizir
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tigran V. Galstian
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gaël Poirier, Mathieu Allix

Mots clés

Mots clés contrôlés

Verre optique

Matériaux optiques

Mots clés libres

Infrarouge

Verres BGG

Fibres optiques

Luminescence

Structure

Purification

Infrared

BGG glasses

Optical fibers

Luminescence

Structure

Purification

Résumé

Parmi les verres adaptés aux applications dans l'infrarouge moyen, les verres d’oxydes lourds Ga2O3 - GeO2 - BaO (ΒGG) se distinguent par leurs avantages uniques. Ces verres oxydes ont une faible énergie de phonon couplée à une température de transition vitreuse supérieure à 500°C, ainsi que des propriétés mécaniques et une durabilité chimique similaires à celles de la silice. La combinaison harmonieuse de ces propriétés fait du verre BGG un excellent candidat, offrant des performances améliorées par rapport à d'autres familles de verre opérant dans l’infrarouge moyen comme les verres fluorés ou les verres chalcogénures. En optimisant le rapport Ga/Ge pour favoriser les matrices gallates riches en gallium, l'énergie des phonons est encore minimisée et les propriétés mécaniques sont améliorées.Cette thèse aborde les défis actuels dans le développement de fibres optiques robustes et à faible perte fabriquées à partir de verres gallo-germanates (BGe) et de germano-gallates (BGa). L'étude de diverses compositions de verre BGG montre que l'oxyde d’yttrium seul agit comme un « stabilisateur » efficace de la matrice vitreuse, facilitant la production de verres thermiquement stables sans cristallisation pendant l’étape d’étirage. Une analyse de la structure locale du verre montre que l'iintroduction d’oxyde d'yttrium dans les verres germanates et gallo-germanates avec un rapport Ga/Ge compris entre 0.4 et 0.8 favorise la formation de sites de gallium GaO5 et GaO6. Cependant, dans les verres germano-gallates avec un rapport supérieur à 1.5, l’introduction d’oxyde d’yttrium n’impacte pas la coordinence du gallium, les cations de gallium n'existent que sous forme d'unités tétraédriques. Ce phénomène est dû à la présence d'un ratio 2Ba/Ga supérieur à 1.5, qui assure une quantité suffisante de baryum pour compenser la charge négative du gallium. Par conséquent, il suffit de 1 mol% d'yttrium pour stabiliser efficacement la composition du verre et empêcher la cristallisation en surface.

Among the glasses tailored for mid-infrared applications, heavy metal oxides glass composition Ga2O3 - GeO2 - BaO stand out due to their unique advantages. These oxide glasses have low phonon energy coupled with a glass transition temperature above 500°C, as well as mechanical properties and chemical durability similar to silica. The harmonious combination of these properties positions BGG glass as a superior alternative, offering improved performance compared to other glass families operating in the mid-infrared such as fluoride or chalcogenide. By tuning the Ga/Ge ratio to favour gallium-rich gallate matrices, phonon energy is further minimised while mechanical properties are improved.