Verres, fibres optiques et composites luminescents pour la détection optique et les applications photoniques

Luminescent glasses, optical fibers, and composites for optical sensing and photonic applications

• Auteur / Autrice : Renato Grigolon Capelo
• Direction : Danilo Manzani, Frédéric Smektala
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 17/12/2024
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté en cotutelle avec Universidade de São Paulo (Brésil)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-2024)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon)
• Jury : Président / Présidente : Juliana Mara Pinto de Almeida
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Younès Messaddeq, Maggy Dutreilh-Colas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Younès Messaddeq, Maggy Dutreilh-Colas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluorures

Tellurite (minéralogie)

Composites

Photonique

Fibres optiques

Mots clés libres

Fibres optiques

Verres d'oxyde

Détection optique

Photonique

Optical fibers

Oxide glasses

Optical sensing

Photonics

Résumé

Ce travail explore la conception, la synthèse et l'application de matériaux vitreux luminescents et de composites pour la détection optique et les technologies photoniques. La recherche se concentre sur le développement de nouveaux matériaux optiquement actifs utilisant des matrices de verre oxydé adaptées à la fabrication de fibres optiques, telles que les verres tellurites et phosphates, qui sont modifiés pour améliorer leurs propriétés optiques et thermiques. L'introduction de modificateurs de réseau, en particulier des fluorures, aboutit à des systèmes vitreux avec une transparence accrue et une stabilité chimique appropriée. Ces matrices ont été dopées avec des ions de terres rares (TR3+) et des nanoparticules, et elles ont également servi de substrats pour la croissance de polymères de coordination (PC) luminescents, permettant la production de nouveaux composites verre@PC avec un potentiel significatif pour la détection chimique. Une approche systématique a été employée pour caractériser ces matrices de verre à l'aide de techniques telles que la diffraction des rayons X, la spectroscopie Raman, la résonance magnétique nucléaire à l'état solide et la spectroscopie UV-Visible, fournissant des informations sur leurs propriétés structurelles, optiques et thermiques. La synthèse de verres de phosphate optiquement actifs co-dopés avec des ions TR3+ a démontré leur capacité à promouvoir la luminescence par conversion ascendante (upconversion), mettant en évidence leur potentiel pour les applications photoniques. La recherche met également en avant le développement de composites verre@PC, synthétisés par croissance in situ sur des substrats en verre et des fibres optiques. Ces composites montrent de réponses luminescentes aux composés carbonylés comme l'acétone et le 2-pentanone, démontrant leur potentiel pour la détection chimique. De plus, les fibres optiques revêtues permettent la transmission de signaux luminescents sur de longues distances, facilitant la détection en temps réel et à distance des analytes. Ainsi, cette thèse contribue au développement de nouveaux matériaux luminescents et de capteurs à base de fibres optiques, offrant une plateforme polyvalente pour des capteurs optiques innovants et des dispositifs photoniques.

This work explores the design, synthesis, and application of luminescent glassy materials and composites for optical sensing and photonic technologies. The research focuses on developing novel optically active materials using oxide glass matrices suitable for fiber drawing, such as tellurite and phosphate glasses, which are modified to improve their optical and thermal properties. The introduction of network modifiers, particularly fluorides, results in glass systems with increased transparency and appropriate chemical stability. These matrices were doped with rare-earth ions (RE3+) and nanoparticles, and they also served as substrates for the growth of luminescent coordination polymers (Ln-CPs), enabling the production of new glass@Ln-CP composites with significant potential for chemical sensing. A systematic approach was employed to characterize these glass matrices using techniques such as X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, solid-state nuclear magnetic resonance (NMR), and UV-Visible spectroscopy, providing insights into their structural, optical, and thermal properties. The synthesis of optically active phosphate glasses co-doped with RE3+ demonstrated the capability to promote upconversion (UC) luminescence, highlighting their potential for photonic applications. The research also emphasizes the development of glass@Ln-CP composites, synthesized through in-situ growth on glass substrates and optical fibers. These composites exhibit strong luminescent responses to carbonyl compounds like acetone and 2-pentanone, demonstrating their potential for chemical sensing. Furthermore, coated optical fibers enable the transmission of luminescent signals over long distances, facilitating real-time and remote detection of analytes. Thus, this thesis contributes to the development of new luminescent materials and fiber-optic-based sensors, offering a versatile platform for innovative optical sensors and photonic devices.