Densification du grenat d'yttrium et d'aluminium pur ou dopé sous forme de céramiques transparentes : relation entre microstructure et propriétés optiques : élaboration de matériaux à gradient de concentration en néodyme

Densification of pure or doped yttrium aluminium garnet transparent ceramics : Relations between microstructure and optical properties : Elaboration of materials with neodymium concentration gradient

• Auteur / Autrice : Rémy Boulesteix
• Direction : Alexandre Maître, Jean-François Baumard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux Céramiques et Traitements de Surface
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences - Technologie - Santé - STS (Limoges)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science des Procédés Céramiques et de Traitements de Surface (1998-2011)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Mortier, Alain Brenier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers -- Matériaux

Néodyme

Matériaux céramiques

Propriétés optiques

Porosité

Mots clés libres

Céramiques transparentes

Gradient de concentration

Résumé

Ce travail porte sur l’élaboration de céramiques transparentes de Y₃₋₃ₓ Nd₃ₓAl₅O₁₂ (YAG:Nd avec 0<x<0. 02) par frittage-réaction sous vide pour une utilisation comme milieux amplificateurs de lasers. La mise en forme par coulage sous pression de suspensions stables et homogènes de mélanges stoechiométriques Al₂O₃-Y₂O₃-Nd₂O₃ a été réalisée. L’étude de la diffusion du néodyme dans les céramiques de YAG:Nd a permis d’élucider les mécanismes de densification et de croissance granulaire de ce matériau en présence ou non d’additifs de frittage (SiO₂). Les résultats de ce travail ont conduit à définir les conditions d’élaboration optimales permettant d’obtenir des céramiques transparentes de YAG:Nd. Les propriétés optiques de ces céramiques (rendement laser) ont été corrélées à leurs propriétés microstructurales (porosité). Ainsi, il apparaît que la porosité résiduelle doit être inférieure à 10⁻⁴% pour que les céramiques de YAG:Nd présente un rendement laser équivalent aux monocristaux de même nature. Enfin, la faisabilité de céramiques de YAG:Nd à gradient de concentration en néodyme et de « qualité laser » par coulage sous pression a été démontrée.

This work is devoted to the elaboration of Y₃₋₃ₓNd₃ₓAl₅O₁₂ (Nd:YAG with 0<x<0. 02) transparent ceramics by reaction-sintering undernvacuum for achieving amplifiers materials for lasers. Pressure-casting of stable and homogeneous suspensions of stoichiometric mixing Al₂O₃₋Y₂O₃₋Nd₂O₃ was achieved. Study of neodymium diffusion in Nd:YAG ceramics allowed to elucidate densification and grain growth mechanisms of this material with or without sintering aid additions (SiO₂). Results of this work have lead to determine the optimal elaboration conditions which lead to Nd:YAG transparent ceramics. Optical properties of these ceramics (laser efficiency) were correlated to their microstructural properties (porosity). Thus, it appeared that residual porosity should be less than 10⁻⁴% to Nd:YAG ceramics reach laser efficiency equivalent to Nd:YAG single-crystals. Finally, feasibility of Nd:YAG ceramics with laser quality and neodymium concentration gradient was proven.