céramiques transparentes

Les challenges de la transparence
Les sources de diffusion :
Les matériaux pour l'optique
Monocristaux
Verres
CÉRAMIQUES TRANSPARENTES
Andréas LYBERIS, doctorant, sous la direction de Michel MORTIER, Directeur de Recherche au CNRS
LCMCP-ENSCP UMR 7574, 11 rue Pierre et Marie Curie, 75005, PARIS, France
Contact : [e-mail]
Étude du frittage et des propriétés spectroscopiques de
céramiques transparentes de CaF2: Yb
pour lasers de puissance
Conclusions : nous avons obtenu Perspectives
Matrice laser CaF2
CaF2:Yb3+ monocristallin
oFaible énergie de phonons (400 cm-1 comparé aux
800 cm-1 des oxydes), i.e. les vibrations qui
peuvent se propager sont peu énergétiques ;
oLarge domaine de transparence (du VUV à l’IR
moyen) qui permet des utilisation allant de la micro
photolithographie aux lasers à impulsions brèves.
oAccordabilité: émission laser de 1000 à 1072 nm,
oDurée minimale du pulse: 99 fs
oTemps de vie de fluorescence: 2,4 ms
oLaser Terawatt pompé par diode
→ rendement électro-optique élevé et système
compact
odes céramiques transparentes taille 1cm avec faibles pertes (0,06 cm-1) pour des dopages variant
de 0,5 à 10%at en Yb;
ol'effet laser.
oSuppression des phases secondaires;
oOptimisation de la concentration en ytterbium pour
une oscillation laser avec un meilleur rendement.
Procédé céramique
Architectures possibles
Contexte de la thèse : Les lasers de puissance du type Laser MégaJoule (LMJ) pour la
fusion nucléaire par confinement laser
Conditions d’utilisation du LMJ:
- plaques amplificatrices de verre de 40 x40x 6 cm;
- puissance TW;
- impulsion brèves (ns);
- fréquence de l’ordre de l’heure;
- Pompage par lampe flash.
Cahier des charges sur les matériaux amplificateurs lasers pour les laser de puissance:
-bonne conductivité thermique;
- mise en forme facile pour des échantillons de grandes tailles homogènes;
- génération d’impulsion brèves (ns);
- temps de vie de fluorescence permettant une inversion de population;
- possibilité de pompage par diode laser (rendement électro-optique élevé et systèmes compactes).
Conditions nécessaires pour la fusion nucléaire:
-plaques amplificatrices de 40 x40x 6 cm;
-puissance TW;
-impulsion brèves (ns);
-fréquence de 10 Hz.
Céramique transparentes de YAG dopé Nd
http://www.konoshima.co.jp/
Fabrication de verre pour les lasers
http://publicaffairs.llnl.gov
DIAGNOSTIC CHAMBRE D'EXPERIENCE /
P.Stroppa/CEA
MISE EN PLACE DE LA CHAMBRE
D'EXPERIENCE DU LMJ / P. Labèguerie/CEA
Pour qu'un matériaux soit transparent, il faut :
oQue dans un domaine de longueur d'onde, il
n'absorbe pas toute la lumière ni ne
réfléchissent toute la lumière;
oQu'il diffuse le moins possible.
oInclusions, petites phases secondaires;
oPores intragranulaires résultant de la
migration d'un joints de grain;
oPhases secondaires provenant d'impuretés
ou d'une ségrégation de phase secondaire;
oRéflexion et réfraction aux joints de grains
dues à la biréfringence, la lumière ne se
propage pas à la même vitesse en fonction de
l'orientation cristalline (maille non cubique);
oDiffusion due à la rugosité de surface.
LIL –OPTIQUES / P.Stroppa/CEA
Bonne conductivité thermique
Mauvaises propriétés mécaniques
Température d'élaboration élevée (fusion)
Taille limitée, dopage inhomagène
Durée d'élaboration : qq semaines
Pas de limitation sur les formes et la taille
Mauvaises propriétés mécaniques
Faible conductivité thermique
Formation de cluster si dopage trop élevé
Bonnes propriétés mécaniques
Bonne conductivité thermique
Possibilité de dopage élevé (jusqu'à 10%)
Bonne qualité cristalline
Durée d'élaboration : qq jours
Mise en forme facile
Température d'élaboration faible (0,6-0,8 Tf)
Transparence possible uniquement avec
des composés cubiques ou avec une
orientation des cristallites (texturation)
Édifice
polycristallin
Édifice
amorphe
Édifice
cristalisé
ultraviolet visible infrarouge
Mesures des pertes par absorption optique
Défauts aux joints de grain
Origine de la phase secondaire oxygénée
Influence des défauts aux joints de grains sur la transparence
oSégrégation de l’ytterbium aux joints de grain
(9% au lieu de 6,4%at)
oCoque oxygénée en surface des particules
oPhase secondaire oxygénée
0 5 10
0
20
40
60
apparent distance (nm)
oxygen atomic fraction (%)
CaO Ca(OH)2 CaF2
Vue schématique de la
de la composition
chimique de la coque
Interface cœur - joint de grain
Réflectance évaluée à 500 nm
CaF2: Yb 6,4 %at –CaF2: Yb 9 %at
0,0004 %
CaF26,4 %at Yb - CaO
1,63 %
Phase secondaire
aux joint de grain
responsable des
pertes par diffusion
400 600 800 1000 1200
0
1
2
3
4
5
6
Coefficient d'absorption corrigé (cm-1)
longueur d'onde (nm)
Pertes résiduelles à 1200 nm
0,06 cm-1
Monocristal non dopé
Céramique transparente dopée 1%at Etude en microscopie des
défauts présents au sein
de la céramique
0200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
0
2
4
6
8
10
fraction atomique d'ytterbium (%)
distance (nm)
taux de dopage
moyen
123
Effet laser
oCavité : géométrie oméga
6.8mW,1031 nm
7W, 980 nm, 50 µm
T=0.5%
100 mm
Dichroic mirror
pump
Yb: CaF2ceramic
980 1000 1020 1040
a. u.
wavelength (nm)
pump
laser
oscillation
Propriétés spectroscopiques : spectre d’absorption à basse température (25 K)
oCluster d’ytterbium
RE hexamer in CaF2
Collaboration LPN
Collaboration IOGPS
900 920 940 960 980 1000
0,00E+000
2,00E-020
4,00E-020
6,00E-020
8,00E-020
1,00E-019
section efficace d'absorption (cm2)
longueur d'onde (nm)
1%
0,25%
0,1%
0,5%
Ions ytterbium isolés
Clusters d’ytterbium
Céramiques transparentes de
CaF2:Yb avec des dopages de
0,1, 0,25, 0,5 et 1 %at
→formation des clusters à
faible concentration de dopant
(0,1 %at )
→à partir de 1 %at Yb,
uniquement des clusters sont
présents
Collaboration LPN
Innovations
- pompage par diode laser (ion ytterbium
par exemple);
- utilisation de céramique transparentes
comme milieux amplificateurs.