Elaboration par frittage réactif de composants céramiques à base de YAG pour laser impulsionnel : Rôle des dopants sur les propriétés microstructurales

Discipline

Matériaux Céramiques et Traitements de Surface

Classification

Physique,

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

Céramique transparente, Laser, Proche infrarouge, Absorbant saturable, Grenat d’yttrium et d’aluminium, Valence +IV, Élaboration, Frittage-réactif, Impulsion laser

Mots-clés

Matériaux céramiques,

Spectroscopie infrarouge proche,

Yttrium,

Aluminium,

Chrome,

Frittage (métallurgie),

Additifs,

Calcium,

Magnésium,

Microstructure (physique)

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans un contexte industriel de développement de nouveaux composants optiques pour des lasers impulsionnels de puissance émettant dans le proche infra-rouge (1,064 μm). Cette étude a porté sur le développement d’un absorbant saturable passif sous la forme de céramiques transparentes monolithiques ou à gradient de dopage (ou composite). La matrice de grenat d’yttrium et d’aluminium (YAG, Y3Al5O12) a été choisie pour ses bonnes propriétés thermomécaniques et les propriétés d’absorption saturable ont été obtenues par un dopage par des ions de chrome de valence +IV (YAG:Cr4+). Le déploiement d’un procédé robuste et reproductible d’élaboration de céramiques transparentes de YAG:Cr4+ a été proposé. Il s’est appuyé sur la mise en forme et le frittage-réactif de mélanges de poudres d’oxydes primaires. Le rôle de nouveaux additifs (calcium et magnésium) a été étudié. Ces composés sont apparus essentiels d’une part, à la densification totale du matériau et à l’obtention de céramiques transparentes et, d’autre part, à la stabilisation des ions chrome sous leur valence +IV. Une démarche multi-échelle, basée sur l’étude macroscopique des cinétiques de densification et de grossissement granulaire au cours du frittage ainsi que sur l’étude de la distribution des espèces à l’échelle nanométrique dans les céramiques obtenues, a visé à clarifier les mécanismes de frittage mis en jeu en présence de ces nouveaux additifs. Au final, des prototypes de composants actifs de lasers impulsionnels ont été élaborés sous la forme de céramiques composites à gradient de concentration en ions Cr4+. Les performances lasers de ces nouveaux matériaux ont été évaluées par la société CILAS et ont permis d’établir des corrélations pertinentes avec les caractéristiques microstructurales, optiques et architecturales de ces céramiques. Des impulsions laser d’énergie 40 mJ et de durée d’impulsion de 36 ns à une longueur d’onde de 1064 nm ont été obtenues à l’issue de ces travaux de thèse.