Verres, vitrocéramiques et céramiques à base de TeO₂ pour l'optique

TeO₂-based glasses, glass-ceramics and ceramics for optical applications

• Auteur / Autrice : Anthony Bertrand
• Direction : Philippe Thomas, Jean-René Duclere, Gaëlle Delaizir
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux Céramiques et Traitements de Surface
• Date : Soutenance le 23/10/2015
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science des Procédés Céramiques et de Traitements de Surface (1998-2011)
• Jury : Président / Présidente : Annie Pradel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathieu Allix, Sébastien Chenu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Annie Pradel, Xiang Hua Zhang

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristallisation

Optique non linéaire

Verre

Vitrocéramique

Tellure -- Composés

Mots clés libres

TeO2

Céramique

Cristallisation congruente

TeO2

Ceramic

Congruent cristallisation

Résumé

Afin de répondre à une demande croissante dans le domaine des télécommunications, de nombreuses recherches sont axées sur le développement de systèmes « tout optique » ou électro–optiques pour la détection, le stockage et le transfert ultra-rapides de l’information. Or, les dispositifs actuels souffrent de temps de réponse « longs» (10-9 à 10-10 s) par rapport à ceux mettant en jeu des phénomènes d’optique non linéaire (10-12 s voire 10-15 s), notamment la Génération de Seconde Harmonique (SHG). Parmi un vaste choix de matériaux optiquement non linéaires, les verres à base de TeO2 sont des candidats intéressants en raison de leur réponse non linéaire élevée (50 fois supérieure à la silice vitreuse) ainsi que de leur large domaine de transparence dans le visible ainsi que le proche IR. Par ailleurs, les verres présentent des qualités essentielles pour le développement de ces dispositifs : facilité d’élaboration, faible coût et grande diversité de composition contrairement aux monocristaux. Or, l’absence de susceptibilité non linéaire d’ordre deux dans les matériaux vitreux, du fait de leur isotropie, rend les verres inaptes à générer un doublage de fréquence d’un faisceau lumineux. Au cours de cette thèse, nous avons donc mis en œuvre la réalisation de vitrocéramiques transparentes, par cristallisation in situ ou dispersion de cristaux non centrosymétriques (permettant de générer de la SHG), et ce, par diverses techniques non conventionnelles, les verres tellurites étudiés présentant une cristallisation préférentielle de surface, liée à une nucléation hétérogène. Aussi l’élaboration de céramiques transparentes par cristallisation congruente d’un verre a été explorée.

In order to provide an answer to the growing need in means of communication, the research is pushed towards the development of all-optical or electro-optical systems for fast detection, storage or transfer of information. Meanwhile, the actual systems suffers from “long” time-response (10-9 to 10-10 s) compared to those based on nonlinear optical phenomena such as Second Harmonic Generation (SHG). Amongst a wide choice of nonlinear optical materials, TeO2-based glasses are interesting candidates because of their high nonlinear response (50 times that of silica) and their high optical transparency in the visible and near-IR range. Moreover, glasses exhibit essential qualities for the development of such systems : low cost, ease of fabrication and a wide range of chemical composition compared to single crystals. Yet, the lack of second order nonlinear susceptibility in glassy materials because of their isotropy makes them incapable to generate the frequency-doubling of a light beam. Thus, this PhD thesis consisted in the elaboration of transparent glass-ceramics by in situ crystallization or incorporation of non-centrosymmetric crystals (which generates SHG) using non-conventional technics, the tellurite glasses studied showing evidence of surface crystallization due to heterogeneous nucleation. Finally, we also investigated the elaboration of transparent TeO2-based ceramics by congruent crystallization of glass.