Relation structure-propriétés et mise en forme de verres infrarouges germano-gallates pour l’optique non linéaire et les lasers

 

Laboratoire d’accueil : Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux (ICMCB UMR 5026) Centre Optique, Photonique et Lasers (COPL) Université Laval, Québec

Responsable Scientifique : Dr. Thierry Cardinal, Sylvain Danto Pr. Younes Messaddeq

 

Contexte scientifique:

Dans le cadre d’un programme de recherche conjoint dans le domaine des matériaux et de la photonique entre l’Université de Bordeaux et l’Université de Limoges en France et l’Université Laval au Québec, les laboratoires ICMCB à Bordeaux et le COPL à Québec proposent un financement de thèse en co-tutelle France-Canada (double diplomation).

Le projet de recherche s’inscrit dans le domaine des nouveaux matériaux fonctionnels pour l’infrarouge pour la photonique intégrée. L’enjeu pour le développement de la photonique est de rechercher des matériaux et structures intégrées permettant d’éviter toute propagation dans l’air. En effet, la propagation en espace libre nécessite des réajustements et réalignements constants et coûteux des systèmes optiques et limite donc leur utilisation à des environnements dédiés. Il s’agit donc de découvrir de nouveaux matériaux transparents dans l’infrarouge pour la propagation et le traitement de la lumière au sein de structures photoniques monolithiques robustes. Le projet visera à développer des nouveaux matériaux mais également des compositions compatibles avec des techniques de mise en forme et de nano- et micro-structuration. Des fonctionnalités optiques ou magnéto-optiques à la base des systèmes lasers seront explorées. Cette thématique de recherche, portant sur l’intégration et la miniaturisation des fonctions optiques, a vocation à toucher de plus en plus de domaines économiques tels que les télécommunications, la quantique, la sécurité et la santé.

 

Le programme de thèse s’intègre dans le cadre d’un IRP (International Research Project) entre le CNRS, l'Université de Bordeaux, l'université Laval et l'INRS au CANADA. L’IRP offre un cadre institutionnel pour favoriser les échanges de personnes (étudiants et chercheurs) et l’initiation de projets de recherche ambitieux entre les partenaires. Cette initiative concertée permet d'offrir aux doctorants et chercheurs un environnement scientifique de premier plan dans le domaine en forte croissance de la photonique en assurant aux participants un programme de mobilité adapté à un programme de recherche international. Le projet s’inscrit également dans le cadre d’un programme RISE européen avec comme partenaire principal le COPL au Québec qui permet de financer la mobilité des chercheurs et doctorants vers le Québec.

Plus spécifiquement, Le projet s’inscrit dans le cadre d’un programme en photonique Franco- Québécois soutenu par la région Aquitaine en 2021 regroupant de acteurs reconnus à l’Université de Limoges, l’université de Bordeaux et l’Université Laval. Il permet de regrouper des moyens et expertiese de recherche en région Nouvelle Aquitaine dans le domaine des matériaux et de l’optique en collaboration avec un centre de photonique au CANADA.

 

Description du projet de recherche :

La ou le candidat(e) intégrera l’équipe « chimie et photonique des matériaux oxydes et fluorures » de l’ICMCB et le groupe de Younès Messaddeq AU COPL au CANADA. Le programme vise à développer une nouvelle génération de verres fonctionnels transparents sur une large fenêtre de transparence allant du visible jusqu'au moyen infrarouge (jusqu'à 5 μm) et des matériaux vitreux structurés présentant des propriétés optiques non linéaires et/ou magnéto-optiques. Le programme de thèse comporte la définition des compositions, la mise en forme des matériaux et leur étude.

La transmission aux grandes longueurs d’onde dans les verres est limitée par l'absorption multiphonon des composés. Plus les éléments sont lourds, plus l'énergie de phonons est basse, et par conséquent, plus la coupure multiphonon est repoussée dans l'infrarouge. Les matrices de verres germanate et gallate permettent d’étendre la fenêtre de transmission des matériaux de type oxyde jusqu’au moyen IR à 5μm ce qui permet d’étendre le champ d’utilisation pour des applications de capteurs chimiques ou dans le domaine de la santé par exemple. Le consortium franco-québécois a démontré récemment au cours de la cotutelle de thèse de Téa Skopak (thèse entre l’ICMCB et le COPL soutenue en 2017) et un programme financé par la France et la CANDA (ANR PRCI Proteus (2017-2021)) que l’introduction d’ions terre rare comme le lanthane ou l’yttrium ouvrait une large fenêtre de composition pour le fibrage par exemple.

Les systèmes vitreux germanates et gallates autorisent l'incorporation de larges concentration de cations comme des ions terre rare tels que le gadolinium ou le terbium afin d’accéder à des propriétés magnéto-optiques originales. Un travail important de synthèse (thermodynamique des systèmes, diagrammes de phases, technique de microscopie électronique et optique) et de caractérisations physicochimiques sera nécessaire afin de déterminer les compositions vitreuses les plus prometteuses selon les cations introduits. La compatibilité de ces compositions avec les techniques de purification devra être validée. Il s’agira également d’analyser la structure des verres obtenus afin de comprendre la particularité des verres germanates ou gallates autorisant l’introduction de fortes concentration d’ions terre rare par exemple. La conjonction des expertises à Bordeaux et au Québec permettra de proposer une étude complète de la fabrication (synthèse et mise en forme) à l'étude des propriétés magnéto-optiques ou d'optique non linéaire. Des méthodes d’étirage de multi-feuillés vitreux seront développées afin de combiner propriétés optiques et magnéto-optiques et proposer des solutions originales d’intégration des matériaux. La photosensibilité des matériaux sera explorée pour structurer et imprimer en trois dimensions les propriétés optiques et magnétiques.

Enfin la collaboration étroite avec des équipes en optique dans la cadre du programme financé par la région Aquitaine en France (Bordeaux, Limoges) et ou CANADA permettra de caractériser les propriétés optiques finales.

 

Principaux aspects développés au cours du projet :

Synthèse de nouvelles compositions de verres d’oxydes lourds et purification des matériaux Etirage et fibrage de matériaux pour l’infrarouge et le moyen infrarouge.
Caractérisations physico-chimiques et structurales (Raman, RMN, PDF, luminescence, AFM) Microscopies électroniques (MEB, TEM, EDS, Auger).

Caractérisation optiques, magnétiques et magnéto-optiques

Directeur de la thèse ICMCB

Thierry Cardinal / Sylvain Danto

E.mail des directeurs de thèse ICMCB

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Tél du directeur de thèse ICMCB

+3354000 2543

Laboratoire d'accueil 1

ICMCB

Adresse du Laboratoire 1

87 Av. du Dr. Schweitzer - Pessac

Directeur de la thèse COPL

Younes Messaddeq

E.mail du directeur de thèse COPL

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Laboratoire d'accueil 2

COPL, Université Laval, Québec, CANADA

Adresse du Laboratoire 2

2375, rue de la Terrasse, Québec G1V 0A6, CANADA