Élaboration et caractérisation de fibres cristallines de nouveaux matériaux

De nombreux milieux matériels peuvent conduire à la génération d’un rayonnement laser, depuis les gaz jusqu’aux solides en passant par les liquides. Depuis la découverte du premier laser en 1960 par Maiman , le nombre d’applications des lasers ne cesse de s’accroitre dans différents domaines tels que la recherche, les télécommunications, la médecine , l’usinage…. Pour satisfaire tous ces besoins, la longueur d’onde de l’émission laser doit couvrir un large domaine de l’infrarouge à l’ultraviolet en passant par le visible . Mais toutes ces longueurs d’onde ne sont pas facilement accessibles.

Pour leur grande diversité et donc pour la variété des longueurs d’onde accessibles, pour leurs puissances d’émission, leur sécurité, les possibilités de miniaturisation, de maintenance et de fiabilité, les lasers à solides ou à fibres, voire à fibres cristallines, constituent une famille de lasers très étudiés actuellement et de plus en plus utilisés dans les dispositifs. Pour l’obtention de longueurs d’onde non directement accessibles par émission directe, il est alors possible d’utiliser des cristaux ayant des propriétés optiques non-linéaires (ONL) permettant la conversion de fréquence des rayonnements lasers. Grâce à ces matériaux, dans des configurations opto-géométriques particulières d’accord de phase, il est possible, à partir d’un seul laser, d’obtenir la génération de second harmonique (doublage de fréquence) ou toute une plage continue de longueurs d’ondes en utilisant le phénomène d’oscillation paramétrique (OPO). Il est alors possible d’envisager des dispositifs laser solides émettant dans le visible (bleu, vert ou rouge), voire dans l’ultraviolet. Les contraintes liées au cristal non linéaire utilisé imposées par cette technique d’émission sont nombreuses. En effet, un bon cristal optique non linéaire doit avoir les propriétés suivantes :
• Etre optiquement transparent au rayonnement laser incident et converti,
• Posséder des coefficients non linéaires élevés,
• Avoir un seuil de dommage optique élevé,
• Etre chimiquement stable,
• Avoir des dimensions suffisantes pour être taillé suivant l’orientation d’accord de phase.

Dans le but de trouver de nouveaux matériaux pour la conversion de fréquences dans le bleu et l’UV, les plus gros efforts se sont orientés vers des cristaux à base de borate. Nombre de ces composés possèdent les propriétés d’un bon matériau optique non linéaire et un seuil d’endommagement important dans l’UV. La recherche et le développement des matériaux borates dans le domaine de l’optique non linéaire, ont permis depuis 30 ans, la réalisation de dispositifs lasers solides UV générant des puissances moyennes de l’ordre de la dizaine de watts aux longueurs d’onde 355 nm et 266 nm. Cependant, la plupart des matériaux borates élaborés présentent quelques limitations telles que l’hygroscopicité et la difficulté de croissance souvent liée à un comportement non-congruent à la fusion.

Les techniques de croissance de monocristaux sont limitées à quelques méthodes, à cause de la complexité des systèmes et du coût élevé des appareillages. On peut noter dans la littérature la croissance de cristaux de borates quasi-exclusivement par les méthodes de Czochralski et de Kyropoulos. Par ailleurs, les opérations de découpage et de polissage des cristaux massifs peuvent être complexes et très difficiles à cause de la rigidité et de la fragilité des monocristaux. Ainsi la production directe de cristaux miniatures de bonne qualité, de taille et d’orientation bien déterminées, limitant les opérations post-croissance, ne peut être qu’un avantage dans le développement de l’ingénierie moderne gouvernée par une miniaturisation de plus en plus poussée des dispositifs. Dans ces conditions, le développement des fibres monocristallines de compositions bien contrôlées est à la base d’une nouvelle génération de cristaux.

Nous possédons au laboratoire LMOPS un équipement de croissance de fibres cristallines basée sur la technique de la micro-goutte pendante (μ-PD). Cette technique possède de nombreux avantages associés, à savoir : gradients de température contrôlés au niveau de l’interface solide liquide, coefficients de ségrégation pratiquement égaux à l’unité en raison des vitesses de tirage élevées, forme des fibres contrôlable, bonne qualité cristalline…. Ces caractéristiques permettent d’utiliser la μ-PD pour la croissance de composés à fusion congruente, la croissance de cristaux de solution solide homogène et la croissance en solution ou flux de composés à fusion non congruente.

Ce travail de recherche, effectué au sein de l’antenne délocalisée du LMOPS à SaintAvold, est consacré à la croissance et à la caractérisation de fibres cristallines à base de borate pour la conversion de lumière dans le domaine V-UV. Dans le cadre de mon travail de thèse, nous avons particulièrement étudiés les fibres cristallines de:
• borate de zinc et de bismuth Bi2ZnB2O7 (BZBO)
• borate de lanthane et de germanium LaBGeO5(LBGO)
• fluoroborate de baryum et de calcium BaCaBO3F (BCBF) .

élaborées par la technique de la micro-goutte pendante (µ-PD) et analysées par différentes techniques de caractérisation.

Les trois matériaux étudiés, BZBO, LBGO et BCBF sont des matériaux non hygroscopiques et à fusion congruente . BZBO présente une efficacité de conversion de fréquence quatre fois supérieure à celle de KDP  . LBGO est un matériau ferropyroélectrique  , il offre la possibilité de quasi accord de phase et peut remplacer le cristal BBO, mais sans ses inconvénients. Les deux matériaux LBGO et BCBF ont un seuil d’absorption dans l’UV de, respectivement, 190 et 220 nm  .