Approche des mécanismes de frittage non conventionnel et des propriétés spectroscopiques de céramiques transparentes dopées holmium pour des lasers émettant dans le moyen infrarouge

Discipline

Matériaux Céramiques et Traitements de Surface

Classification

Physique,

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

Céramiques transparentes, Moyen infrarouge, Laser, Coprécipitation, Mécanismes densification

Mots-clés

Matériaux céramiques,

Oxyde de lutétium,

Spark plasma sintering (métallurgie),

Photoluminescence

Ces travaux de thèse portent sur l’élaboration de céramiques transparentes pour des applications lasers de haute puissance dans l’infrarouge moyen dans le domaine médical et de la détection de gaz. Le composé étudié est l’oxyde de lutétium Lu2O3, qui présente de meilleures propriétés thermomécaniques que le YAG. L’ion luminescence utilisé est l’ion Ho3+, dont l’émission principale est à environ 2,1 μm. Les poudres céramiques de Lu2O3:Ho sont élaborées par la voie chimique de co-précipitation, à partir de poudres oxydes commerciales judicieusement choisies pour leur pureté. Une étude de calcination est faite pour déterminer les meilleures conditions thermiques afin d’avoir des poudres avec la granulométrie la plus homogène, et donc une bonne frittabilité. Une étude de l’effet du rayon ionique d’un co-dopant (Sc3+, Y3+, Gd3+) est également réalisée, grâce à des analyses dilatométriques sous vide et SPS. Une étude des mécanismes de densification par Spark Plasma est opérée sur une poudre nanométrique par l’application de deux approches de l’équation de fluage lors du frittage assisté par une contrainte. La connaissance de l’évolution de ces mécanismes lors du traitement thermique permettent d’adapter au mieux l’application des profils de température et de contrainte lors de futurs essais, permettant ainsi d’obtenir des échantillons de qualité laser. Ces échantillons transparents sont étudiés en transmission puis en spectroscopie de photoluminescence afin de mettre en évidence les différentes transitions électroniques et d’éventuelles relaxations pour de forts taux de dopage. Les données obtenues pour Lu2O3:Ho sont comparées au YAG:Ho, actuel matériau de référence. En parallèle, des mesures de gain laser ont été effectuées sur les céramiques de YAG:Ho.