Mise au point et caractérisation de nouvelles compositions de verres de silice dopée ytterbium par méthode plasma (SPCVD) pour application en tant que fibre laser

par Alexandre Barnini

Thèse de doctorat en Physique et Chimie des Matériaux

Sous la direction de Daniel Caurant et de Gérard Aka.

Soutenue le 08-12-2017

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris) , en partenariat avec Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris- Chimie ParisTech-PSL (laboratoire) .

Le président du jury était Simeon Cavadias.

Le jury était composé de Thierry Taunay, Cédric Guyon, Thierry Robin.

Les rapporteurs étaient Laurent Bigot, Wilfried Blanc.


  • Résumé

    Les fibres optiques en silice dopées ytterbium sont couramment utilisées pour des applications laser à forte puissance depuis plusieurs années. Ces puissances ne cessent de croître en raison de progrès continus sur les procédés de fabrication des fibres optiques. Cette thèse s’intéresse à l’élaboration de cœurs de fibres optiques en silice vitreuse dopée ytterbium par un procédé plasma (SPCVD). Cette technique a été inventée en 1986 pour la fabrication de fibres optiques de télécommunications et nous l’avons adaptée dans ces travaux de thèse à la fabrication de cœurs de fibres à grande aire effective dopés en terres rares. Dans un premier temps, la mise au point du procédé et des différentes sources d’évaporation des précurseurs est présentée. Les principaux cœurs de fibres élaborés sont très riches en silice, et faiblement dopés en aluminium, en fluor et en ytterbium. L’homogénéité radiale et longitudinale des cœurs est discutée, et plusieurs options sont proposées pour l’améliorer. Dans un deuxième temps, la structure du réseau vitreux des cœurs élaborés ainsi que l’environnement et la dispersion de l’ion Yb3+ au sein du réseau vitreux silicaté sont étudiés. Pour cela, une approche multi-spectroscopique est utilisée : la résonance magnétique nucléaire informe sur l’environnement des noyaux à spin nucléaire non nul 29Si, 27Al et 19F tandis que la résonance paramagnétique électronique à impulsions permet à la fois de sonder spécifiquement l’environnement de l’ion Yb3+ et d’étudier sa dispersion au sein du réseau vitreux. Ces expériences sont complétées par des caractérisations optiques telles que l’absorption et la luminescence des ions Yb3+. Enfin, les cœurs de fibres élaborés par la méthode SPCVD sont caractérisés en cavité laser. L’efficacité de conversion, la qualité de faisceau et la résistance au photonoircissement de plusieurs cœurs aluminosilicatés co-dopés en fluor et en ytterbium sont présentés.

  • Titre traduit

    Fabrication and characterization of new ytterbium-doped silica glasses' compositions using a plasma method (SPCVD) for laser fiber applications


  • Résumé

    Ytterbium-doped silica optical fibers are widely used for high power laser applications for several years. These powers keep on increasing due to continuous improvements in optical fibers fabrication processes. The aim of this PhD is to synthesize ytterbium-doped silica optical fibers’ cores using a plasma process named SPCVD. This method has been created in 1986 for telecommunications optical fibers synthesis, and we have adapted it to fit the fabrication of rare earth-doped large-mode-area optical fiber cores. We first present the development of ways of evaporating low vapor pressure reagents. All the synthesized optical fiber cores are silica-rich, and slightly doped with both aluminum, fluorine and ytterbium. Radial and longitudinal homogeneities are discussed, and we propose several options in order to improve them. Then, the glassy network structure of the fabricated cores and also the neighborhood and dispersal of Yb3+ ion in the silicate network are studied. Thus, we used several spectroscopic studies: nuclear magnetic resonance enables to focus on non-zero nuclear spin nucleus (29Si, 27Al, 19F) whereas electronic paramagnetic resonance is used to probe the neighborhood and the dispersal of Yb3+ ions. We also based our study on optical characterizations as absorption and luminescence of Yb3+ ions. Finally, the fibers’ cores we synthesized using the SPCVD process have been characterized in a laser cavity. We present the power conversion efficiency, the beam quality and the resistance to photodarkening of several ytterbium and fluorine-co-doped aluminosilicate cores.

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