Étude de la stabilité thermique de composants fibrés basés sur des modifications de type III ou microvoids générés par laser femtoseconde

Résumé

Le suivi et le contrôle des procédés dans des milieux hostiles exigent des capteurs pouvant fonctionner dans des conditions extrêmes, telles que des températures élevées ou des pressions importantes. Les capteurs à fibre optique sont particulièrement adaptés à ces environnements grâce à leur dimension compacte, la possibilité d’interrogation à distance, leur immunité aux interférences électromagnétiques, et leur résistance aux substances corrosives. Ces dernières années, les capteurs à fibre ont trouvé de nombreuses applications dans des domaines tels que l’aéronautique, la métallurgie, la production d’énergie et le nucléaire. Parmi ceux-ci, les réseaux de Bragg à fibre optique (FBG) — y compris les FBG régénérés (RFBG), les FBG de type II inscrits par laser femtoseconde (type II fs-FBG) et les FBG de type III produits par laser femtoseconde et la méthode point par point (type III fs-FBG) — se sont imposés comme des candidats prometteurs en raison de leur robustesse à haute température.

Parmi eux, les type III fs-FBG présentent un intérêt particulier en raison de leur fabrication simple, de la flexibilité des paramètres d’inscription, et de leur capacité de multiplexage à la fois spatial et spectral. Ils se composent des microcavités assemblées en motifs périodiques, formées par la focalisation d’une impulsion unique de laser femtoseconde dans un volume localisé du cœur de la fibre. Au cours de ce processus, la microcavité formée serait entourée d’une coquille densifiée. Bien que des études antérieures aient fourni des preuves indirectes de l’existence de cette coquille densifiée, une analyse complète à l’échelle nanométrique n'a pas encore été réalisée.

Cette thèse présente ainsi une étude structurale détaillée de ces microcavités en utilisant des techniques de caractérisation allant de l’échelle micro à l’échelle nanométrique. Pour la première fois, la géométrie (un sphéroïde aplati) et les dimensions des cavités à l’intérieur de la fibre optique ont été déterminées avec précision grâce à la microscopie

électronique en transmission. De plus, les premières preuves quantitatives à l’échelle nanométrique de l’existence d’une région densifiée entourant les cavités sont fournies à l’aide de la spectroscopie nano-IR, révélant une densification d’environ 6%.

Des études de recuit thermique révèlent que, entre 1050 °C et 1100 °C, les cavités subissent un rétrécissement. A des températures supérieures, cependant, les cavités s’agrandissent et se déforment, entraînant une évolution structurale plus complexe. Parallèlement, une diminution progressive de l’amplitude de la résonance de Bragg est observée, ce qui est attribué à une perte de périodicité du réseau. Pour mieux comprendre le comportement à haute température, un modèle basé sur l’équation de Rayleigh–Plesset est adapté au cas des microcavités, en intégrant des paramètres tels que la viscosité du verre, la taille, la forme et la pression interne des cavités. Bien que le modèle ne saisît pas entièrement la complexité de l’évolution des microcavités à haute température, il fournit des indications utiles sur les mécanismes physiques impliqués.

Enfin, des expériences de recuit isotherme (800–1175 °C) ont été menées pour suivre les changements des propriétés spectrales des réseaux de Bragg (longueur d’onde de Bragg et réflectivité). Résultats indiquent que la stabilité thermique dépend fortement de l’énergie d’inscription du laser, les énergies plus élevées conduisant à des réseaux plus stables. En utilisant le formalisme dit de la « courbe maîtresse », la durée de vie des capteurs peut être prédit, tout comme les fenêtres de fonctionnement : par exemple, un fonctionnement stable à 900 °C pendant 10 ans, à 1100 °C pendant un mois, ou à 1200 °C pendant au moins 24 heures. Une étude complémentaire de recuit isotherme sur 3 mois nous a également permis de modéliser le temps de stabilisation de la longueur d’onde de Bragg en fonction de la température en utilisant le même formalisme.