Elaboration et caractérisation de céramiques transparentes à base de sesquioxydes de terres rares pour lasers visibles et moyen-infrarouge

Résumé
Cette thèse vise à développer de nouvelles céramiques transparentes à base de sesquioxydes de terres rares dopées (Dy³⁺, Er³⁺) pour des applications lasers infrarouges moyens performants [1-3]. Ce projet comprend l’étude de la mise en forme des poudres, des mécanismes de frittage (incluant des techniques avancées comme HIP et SPS), ainsi que le développement de matériaux à gradient de composition par fabrication additive. Les matériaux obtenus seront ensuite caractérisés (structure, microstructure, propriétés optiques et thermiques) afin d’évaluer leur potentiel pour des applications laser.

Contexte et objectifs :
Ce projet de thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR DUPLEX (Dysprosium for Ultrashort-Pulse lasers using Low-Phonon crystals for Emission eXtended above 3μm). L’objectif du projet est de développer de nouveaux matériaux inorganiques fonctionnels à base de monocristaux à faible énergie de phonons et de céramiques transparentes dopées aux ions dysprosium. Ces nouveaux matériaux devront présenter une émission dans le domaine infrarouge moyen s’étendant au-delà de 3 μm. Ce projet visera à démontrer l’aptitude de ces matériaux pour la réalisation de sources laser à semi-conducteurs infrarouges moyens efficaces, largement accordables et à impulsions ultracourtes. Le consortium est constitué des laboratoires CIMAP et IRCER, experts dans l’élaboration et la caractérisation de cristaux optiques fonctionnels et de céramiques pour l’optique fonctionnelle, respectivement. Le développement des lasers sera quant à lui assuré par les laboratoires LCF et CORIA.
Dans ce contexte, l’objectif principal de la thèse concerne la mise au point de nouvelles céramiques polycristallines transparentes à base de sesquioxydes de terres rares dopées dysprosium et erbium (e.g. Y2O3:(Dy3+,Er3+)) adaptées au pompage diode. Ces matériaux seront étudiés du point de vue de l’élaboration par frittage de nanopoudres et de leurs propriétés spectroscopiques et laser.

Déroulé de la thèse :
Le projet de thèse qui sera mené s’appuiera sur les étapes suivantes :
• Etude bibliographique, afin de définir les compositions d’intérêt au regard de la littérature, ainsi que les méthodes de forgeage et frittage permettant leur élaboration.
• Etude de la mise en forme de nanopoudres. Cette étude s’appuiera notamment sur la formulation de suspensions et la mesure de leur potentiel zêta, de leur granulométrie et de leur comportement rhéologique. Ces caractéristiques seront corrélées aux propriétés des pièces crues obtenues après mise en forme, en particulier leur distribution en taille de pores et leur homogénéité chimique.
• Etude des mécanismes de frittage en fonction de paramètres expérimentaux tels que la concentration en additifs ou dopants luminescents, l’atmosphère de frittage ou encore l’application d’une contrainte mécanique. Cette étape comprendra notamment la mise en oeuvre de techniques de frittage non-conventionnel (sous vide, HIP, SPS).
• Elaboration de matériaux à gradient de composition avec le développement d’une technique de mise en forme par fabrication additive par micro-extrusion. Cette étape comprendra notamment l’étude du co-frittage des pièces obtenues.
• Caractérisation de la structure et microstructure des échantillons par des techniques avancées telles que la DRX, MEB, MET, microsonde électronique, microscopie de fluorescence, etc. Caractérisation des performances thermiques et optiques, ainsi que des propriétés spectroscopiques et du potentiel laser (spectroscopie d’absorption/émission, durée de vie, gain).