Conversion d'énergie dans des matériaux dopés terre-rares pour capteur tout optique de gaz

par Anne-Laure Pelé

Thèse de doctorat en Milieux dilués et optique fondamentale

Sous la direction de Alain Braud et de Jean-Louis Doualan.

Le président du jury était Patrice Camy.

Le jury était composé de Alain Braud, Jean-Louis Doualan, Patrice Camy, Brigitte Boulard, Maurizio Ferrari, Virginie Nazabal.

Les rapporteurs étaient Brigitte Boulard, Maurizio Ferrari.


  • Résumé

    Ce travail de thèse concerne l’étude de verres chalcogénures à basses énergies de phonons, dopés par des ions terres-rares pour le développement d’un capteur de gaz tout optique grâce à la conversion du signal infrarouge (IR) de détection en un signal proche IR ou visible. Le principe du capteur est le suivant : une diode pompe une fibre chalcogénure dopée Dy3+, entraînant l’émission du signal IR, qui est ensuite envoyé dans la cellule de gaz pour sonder l’absorption du gaz à 4. 4μm. Le signal à 4. 4µm de la sonde est ensuite converti en un signal à 810 nm dans une fibre chalcogénure dopée Er3+ par absorption dans l’état excité en lien avec un pompage simultané à 980 nm. Cette conversion en longueur d’onde rend possible le transport du signal de sonde sur de longues distances par le biais de fibres optiques en silice, augmentant ainsi considérablement les applications possibles. L’étude spectroscopique de fibres GeGaSbS dopées Dy3+ a permis de mettre en évidence le potentiel de la transition 6H11/26H13/2 comme source IR à 4. 4μm. La source IR correspondante, à la longueur d’onde d’absorption du CO2 à 4. 4µm, basée sur ces fibres GeGaSbS dopées Dy3+, a été développée au laboratoire en collaboration avec l’équipe Verre et Céramiques de l’ISCR de Rennes. Afin d’optimiser la fluorescence des fibres Dy3+ dans l’IR, une simulation de la puissance IR générée a été réalisée et l’impact des différents paramètres en jeu sur l’émission du Dy3+ a été étudié en détail. Les résultats du modèle ont ensuite été validés avec succès par comparaison avec des mesures expérimentales. La conversion d’énergie a, quant à elle, été démontrée expérimentalement pour la conversion d’un signal à 4. 4μm en un signal à 810 nm dans des fibres 2S2G dopées Er3+, grâce à une excitation simultanée à 980 nm et 4. 4μm. Une simulation de l’intensité de la fluorescence à 810 nm en fonction des paramètres du montage expérimental et des caractéristiques de la fibre a également été développée. Cette simulation permet de déterminer les paramètres optimaux pour une fluorescence la plus efficace possible à 810 nm mais aussi, de décrire en détail les phénomènes physiques mis en jeu lors de la conversion. En effet, en plus du processus d’absorption dans l’état excité indispensable à la conversion d’énergie, des transferts d’énergie ont lieu, entrainants un signal d’upconversion parasite à 810 nm qui sont en compétition avec la conversion. La conversion d’un signal à 3. 4µm en un signal à 665 nm a également été démontrée dans des verres sulfures dopés Er3+ ainsi que la conversion d’un signal à 4. 4µm en un signal à 810 nm dans un cristal KPb2Cl5 dopé Er3+. Finalement, la conversion d’un signal dans l’IR plus lointain à 10µm a été explorée dans un cristal de KPb2Cl5 dopé Sm3+. Ce travail de thèse concerne l’étude de verres chalcogénures à basses énergies de phonons, dopés par des ions terres-rares pour le développement d’un capteur de gaz tout optique grâce à la conversion du signal infrarouge (IR) de détection en un signal proche IR ou visible. Le principe du capteur est le suivant : une diode pompe une fibre chalcogénure dopée Dy3+, entraînant l’émission du signal IR, qui est ensuite envoyé dans la cellule de gaz pour sonder l’absorption du gaz à 4. 4μm. Le signal à 4. 4µm de la sonde est ensuite converti en un signal à 810 nm dans une fibre chalcogénure dopée Er3+ par absorption dans l’état excité en lien avec un pompage simultané à 980 nm. Cette conversion en longueur d’onde rend possible le transport du signal de sonde sur de longues distances par le biais de fibres optiques en silice, augmentant ainsi considérablement les applications possibles. L’étude spectroscopique de fibres GeGaSbS dopées Dy3+ a permis de mettre en évidence le potentiel de la transition 6H11/26H13/2 comme source IR à 4. 4μm. La source IR correspondante, à la longueur d’onde d’absorption du CO2 à 4. 4µm, basée sur ces fibres GeGaSbS dopées Dy3+, a été développée au laboratoire en collaboration avec l’équipe Verre et Céramiques de l’ISCR de Rennes. Afin d’optimiser la fluorescence des fibres Dy3+ dans l’IR, une simulation de la puissance IR générée a été réalisée et l’impact des différents paramètres en jeu sur l’émission du Dy3+ a été étudié en détail. Les résultats du modèle ont ensuite été validés avec succès par comparaison avec des mesures expérimentales. La conversion d’énergie a, quant à elle, été démontrée expérimentalement pour la conversion d’un signal à 4. 4μm en un signal à 810 nm dans des fibres 2S2G dopées Er3+, grâce à une excitation simultanée à 980 nm et 4. 4μm. Une simulation de l’intensité de la fluorescence à 810 nm en fonction des paramètres du montage expérimental et des caractéristiques de la fibre a également été développée. Cette simulation permet de déterminer les paramètres optimaux pour une fluorescence la plus efficace possible à 810 nm mais aussi, de décrire en détail les phénomènes physiques mis en jeu lors de la conversion. En effet, en plus du processus d’absorption dans l’état excité indispensable à la conversion d’énergie, des transferts d’énergie ont lieu, entrainants un signal d’upconversion parasite à 810 nm qui sont en compétition avec la conversion. La conversion d’un signal à 3. 4µm en un signal à 665 nm a également été démontrée dans des verres sulfures dopés Er3+ ainsi que la conversion d’un signal à 4. 4µm en un signal à 810 nm dans un cristal KPb2Cl5 dopé Er3+. Finalement, la conversion d’un signal dans l’IR plus lointain à 10µm a été explorée dans un cristal de KPb2Cl5 dopé Sm3+.

  • Titre traduit

    Energie conversion in rare earth doped materials for all optical gas sensor


  • Résumé

    This work is devoted to the study of rare earth ions doped low phonon energy chalcogenide glasses for the all optical gas sensor development using an IR signal conversion to a near IR or visible signal. The principle of the sensor is as follow: a diode pumped Dy3+ doped chalcogenide fiber first produces the infrared signal, which is then sent to the gas cell to probe the gas absorption at 4. 4µm. The probe IR signal is then converted to 810 nm by excited state absorption within a diode-pumped Er3+ doped chalcogenide fiber making possible to transport the probe signal through a silica optical fiber over large distances considerably increasing the scope of possible applications. The spectroscopic study of Dy3+ doped GeGaSbS fibers has brought to light the 6H11/26H13/2 transition potential as IR source at 4. 4µm. The corresponding IR source at the absorption wavelength of the CO2 at 4. 4µm is based on the Dy3+ doped GeGaSbS fibers and has been developed in the laboratory of Caen in collaboration with the “Verre et Céramiques” team of the ISCR of Rennes. In order to optimize the luminescent fiber in the IR, a simulation of the generated power has been realized and the impact of various parameters involved in the Dy3+ emission has been studied in detail. Model results have been validated successfully by comparison with experimental measurements. The energy conversion mechanism from 4. 4µm to 810 nm has been successfully implemented in Er3+ doped GeGaSbS chalcogenide fibers because of their simultaneous excitation at 980 nm and 4. 4µm. A fluorescence intensity of the 810 nm signal simulation in function of the experimental set-up parameters and the fiber characteristics has also been developed. This simulation permits to determine the optimal parameters for a fluorescence as effective as possible but also to describe in detail the physical phenomena taking place during the conversion. In fact, in addition to the essential excited state absorption process, energy transfers occur, involving a parasitic upconversion signal at 810 nm in competition with the conversion. The conversion of a signal at 3. 4µm to a signal at 665 nm have also been demonstrated into Er3+ doped sulfide glasses as well as the conversion of a 4. 4µm signal to a 810 nm signal into an Er3+ doped KPb2Cl5 crystal. Finally, the conversion of a distant-range IR signal at 10µm has been explored in a Sm3+ doped KPb2Cl5 crystal.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (179 f.)
  • Annexes : Bibliogr. 127 ref. Index

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  • Bibliothèque : Université de Caen Normandie. Bibliothèque Rosalind Franklin (Sciences-STAPS).
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : TCAS-2015-33
  • Bibliothèque : Université de Caen Normandie. Bibliothèque Rosalind Franklin (Sciences-STAPS).
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TCAS-2015-33bis
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