Recherche et élaboration de nouveaux matériaux pour les applications laser non-linéaires du moyen infrarouge

by Jérémy Rame

Doctoral thesis in Science des matériaux

Under the supervision of Bruno Viana and Johan Petit.

defended on 20-11-2014

in Paris 6 , under the authority of École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris) , in a partnership with Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Centre de Meudon (laboratoire) .

Thesis committee President: Gilles Wallez.

Thesis committee members: Denis Balitsky, Christelle Kieleck.

Examiners: Kheirreddine Lebbou, Loreynne Pinsard-Gaudart.

keywords

• AgGaGeS4
• ZnGeP2
• Nonlinear optics
• Crystal growth
• Solid state chemistry
• Ab initio calculations
• Mid-IR sources

Alternative Title

Research and processing of new materials for mid-IR laser applications

Abstract

Mid-infrared laser sources have attracted a particular attention due to their potential applications in different fields, such as remote chemical sensing or infrared counter-measures for civilian or military aircrafts safety. One way to produce such sources is the down conversion process in optical parametric oscillators using nonlinear crystals. AgGaGeS4 is a promising candidate for these applications. The chemical synthesis and crystal growth steps of this material processing are presented in this study. Ingots with 28 mm diameter and 70 mm length were grown. The key issue of AgGaGeS4 processing is the control of melt decomposition at high temperature due to the high volatility of GeS2. The influence of GeS2 volatility on melt stoichiometry during the AgGaGeS4 processing is outlined, and solutions to improve crystals quality by controlling this volatility are presented. Otherwise, we present the development of a device which aim to improve the chemical synthesis process by controlling the pressure variations during the chemical reaction. Main interests of this device are to study the chemical reaction which occurs during the process and control the pressure variations during the chemical reaction. Furthermore, ab initio calculations were performed in order to study the properties of ZnGeP2 which is a benchmark material for mid-IR laser conversion. The effect of ionic substitution on ZnGeP2 properties was studied. Moreover, ZnGeP2:Sn crystals were elaborated and characterized. It was demonstrated that ionic substitutions with tin allowed significantly improvements on the crystal transmission around the pump wavelength at 2.05 μm.

keywords

• AgGaGeS4
• ZnGeP2
• Optique non-linéaire
• Cristallogenèse
• Chimie du solide
• Simulations ab initio
• Sources MIR
• Optique non linéaire
• Chimie de l'état solide
• Méthodes ab initio (chimie quantique)
• Croissance cristalline
• Rayonnement infrarouge -- Technique

Abstract

Le moyen infrarouge (MIR) présente un fort intérêt technologique du fait de la présence de bandes de transparence de l’atmosphère dans ce domaine. En effet, elles permettent d’envisager de nombreuses applications à longue distance, telles que la détection de gaz ou le brouillage infrarouge de missiles pour la sécurité des aéronefs civils ou militaires. Les sources paramétriques optiques font partie des technologies de choix pour la génération d’impulsions laser dans ce domaine. Elles nécessitent l’emploi de cristaux non-linéaires pour convertir des signaux laser, du proche infrarouge vers le MIR, dont un état de l’art est présenté dans cette étude. AgGaGeS4 est un candidat prometteur pour ces applications. L’élaboration de ce matériau par la technique de synthèse chimique double zone et la cristallogenèse par la technique Bridgman-Stockbarger est ici présentée. Des lingots d’AgGaGeS4 (φ=28 mm et L=70 mm) ont pu être obtenus. Les facteurs clés pour le développement de ces cristaux ont été mis en évidence, en particulier le contrôle de la volatilité du GeS2. Par ailleurs, un dispositif permettant d’améliorer la méthode de synthèse chimique, en mesurant en temps réel les variations de pression au cours du procédé, est proposé. Concernant ZnGeP2, matériau de référence dans ce domaine, des simulations ab initio ont été réalisées pour étudier l’influence de substitutions ioniques sur les propriétés de ce composé. En complément, des monocristaux de ZGP:Sn ont été élaborés et caractérisés. L’ajout d’étain a permis d’améliorer significativement la transmission optique vers 2 μm, longueur d’onde de pompage de ce cristal.