Étude et caractérisation de verres et céramiques transparentes à base de TeO2 pour des applications en optique

Discipline

Matériaux céramiques et traitements de surface

Classification

Chimie, minéralogie, cristallographie,

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

Verre, Céramique transparente, Tellurite, Propriétés optiques, Inscription laser

Mots-clés

Matériaux céramiques,

Tellurite (minéralogie),

Cristallisation,

Matériaux -- Propriétés optiques,

Matériaux céramiques - Propriétés optiques

Les verres se distinguent par leur transparence, leur facilité de mise en forme et leur coût de production peu élevé. En particulier, les verres tellurites présentent des propriétés intéressantes notamment leur faible point de fusion (700-900°C), leur indice de réfraction élevé (≈2), leur large transparence optique (jusqu'à 6 μm) et une grande solubilité des ions de terres rares.Les céramiques transparentes présentent des avantages par rapport aux verres, tels que des propriétés mécaniques, thermiques et optiques améliorées. Cependant, le processus d'élaboration de ces céramiques nécessite des conditions de frittage coûteuses sous haute pression et température. La cristallisation complète du verre en céramique transparente est une alternative pour contourner les défis techniques liés aux céramiques obtenues par frittage. Cette technique consiste à traiter thermiquement un verre afin de le faire cristalliser complètement, méthode à la fois peu coûteuse et facile à mettre en œuvre.Les travaux de cette thèse portent sur l’élaboration et la caractérisation de nouvelles céramiques transparentes, non dopées et dopées à l’erbium, obtenues à partir de la cristallisation complète du verre dans le système ternaire TeO2-Ta2O5-Bi2O3 (TTB).Des échantillons de verre TTB ont été préparés par la méthode conventionnelle de trempe, et le domaine vitreux correspondant a été identifié. Une étude de cristallisation de la composition vitreuse 80 TeO2 - 10 Ta2O5 - 10 Bi2O3 (80 TTB) a révélé des transitions structurales du verre à la stabilisation d'une phase anti-verre translucide non rapportée, puis à une céramique cristalline transparente dans le visible et l’infrarouge. Les phases anti-verre et céramique ont été caractérisées par diffraction des rayons X sur poudre, spectroscopie Raman, diffraction des électrons rétrodiffusés et microscopie électronique en transmission. Les propriétés optiques des échantillons transparents non dopés et dopés aux ions Er3+ ont également été analysées.Les propriétés optiques de ces céramiques transparentes sont prometteuses, avec une transmission de 74 % dans le visible et l’infrarouge, proche de la transmission théorique. La petite taille des grains et la microstructure complexe observées dans cette céramique transparente favorisent de bonnes propriétés optiques. La solubilité maximale de l'Er2O3 dans le verre 80 TTB a été identifiée à 1,25 % mol. L’étude révèle une relation directe entre la concentration d’ions Er3+ et la largeur à mi-hauteur (FWHM) des spectres de luminescence. L’anti-verre dopés à 1 % mol Er2O3 présente une large FWHM supérieure à 130 nm sous un pompage de 578 mW, suggérant que cette phase possède des caractéristiques spectroscopiques avantageuses et une bonne stabilité thermique. La durée de vie de l'état excité 4I13/2 augmente avec la teneur en Er2O3 dans les anti-verres et les céramiques, avec une diminution notable à 1 % mol Er2O3 pour ces matériaux, tandis que dans le verre, cette diminution est observée à 0,5 % mol. Les sections efficaces d'émission diminuent avec l'augmentation de la teneur en Er2O3 et de la puissance, influencées par des effets thermiques et de saturation.Cette étude approfondie met en évidence les transitions structurales du verre à l’anti-verre à la céramique du système TTB ainsi le comportement optique des ions Er3+ dans ces matériaux, essentielles pour des applications dans la conception de lasers et d'amplificateurs optiques. Des tests d’inscription par irradiation laser femtoseconde ont également été réalisés sur les verres, anti-verres et céramiques transparentes TTB afin de comparer leurs réactions respectives.