Synthèse de verre de silice dopé aux ions de terres rares à coefficient de thermo-dilatation nulle ou négatif // Synthesis of rare-earth ion-doped silica glass with zero or negative thermo-expansion coefficient

De nombreuses applications civiles et militaires requièrent l'utilisation de sources lasers à base de fibres optiques capables d'émettre des faisceaux de plus en plus puissants tout en conservant une excellente qualité transverse de manière à pouvoir focaliser le rayonnement sur de très petites surfaces ou à des distances très grandes. Les fibres optiques ainsi développées ont des dimensions géométriques plus importantes que les fibres conventionnelles utilisées pour les télécommunications. Leur architecture comprend de manière très simplifiée un cœur (zone centrale où le rayonnement laser est généré et confiné) ayant un diamètre pouvant varier entre 20 et 100 µm, entouré d'une gaine optique ayant un diamètre pouvant varier entre 150 et 400 µm. L'effet laser est obtenu par le dopage de la zone de cœur avec des ions de terres rares. La complexité de fabrication de ce type de fibres optiques réside dans la synthèse de deux matériaux (l'un pour le cœur, l'autre pour la gaine), à base de silice, devant avoir une différence indice parfaitement maîtrisée (homogène sur toute la surface du matériau et valeur contrôlée) et très faible (quelques 10-4), voire nulle. Ces enjeux de fabrication ne sont d'ailleurs que partiellement satisfaits par les technologies conventionnelles telles que le MCVD. En complément, l'échauffement du cœur lié au fonctionnement laser induit une dilatation thermique du matériau. Cette dernière crée un stress mécanique dont la conséquence est la modification du profil d'indice de la fibre optique (propriétés thermo-optiques des matériaux utilisés). Une conséquence directe et néfaste est l'altération des propriétés de guidage de la fibre ainsi échauffée : la distribution transverse du faisceau laser émis en sortie du laser devient instable. Aujourd'hui, ce phénomène est un frein limitant la progression en termes de puissance pouvant être extraite des lasers de puissance à fibres optiques. En effet, si l'augmentation de la puissance peut augmenter la productivité de systèmes de micro-gravure en micro-électronique par exemple, un faisceau instable ne permettra pas d'atteindre la précision de gravure requise. De la même manière, dans les systèmes de communications inter-satellites, les systèmes de transfert d'énergie par faisceau laser ne pourront progresser.
Récemment il a été démontré qu'une forte modification de la composition du matériau de cœur, notamment via l'introduction de bore, permettait d'engendrer un coefficient thermo-optique dn/dT très faible, voire nul. Si l'introduction de tels dopants a été démontrée avec succès par MCVD, les futures générations de fibres optiques pour les lasers de puissance ne pourront utiliser ce procédé de fabrication du fait d'un niveau de contrôle insuffisant des profils d'indice. Le laboratoire XLIM a prouvé la pertinence d'une méthode de synthèse alternative, appelée méthode 'poudre-en-suspension', et tout l'enjeu de la thèse proposée ici est de réussir l'introduction contrôlée du bore dans une matrice de silice dopée aux ions de terres rares sans détériorer les propriétés optiques du verre.
La thèse se déroulera principalement à XLIM, pour la partie synthèse des matériaux, en collaboration avec l'IRCER. Les caractérisations physico-chimiques, quant à elle seront menées à l'IRCER. C'est un sujet de thèse pluridisciplinaire, qui nécessite d'avoir des aptitudes au travail expérimental en laboratoire.

Les travaux menés dans le cadre de cette thèse seront fédérateurs pour notre site universitaire car ils seront d'intérêt pour plusieurs acteurs du monde socio-économiques : CRT ALPHANOV, entreprises du domaine du laser en région Nouvelle-Aquitaine. En effet l'ensemble de ces acteurs se heurtent à cette problématique de la montée en puissance de leurs systèmes laser.
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Numerous civil and military applications require the use of laser sources based on optical fibers capable of emitting increasingly powerful beams while maintaining excellent transverse quality, so that radiation can be focused on very small surfaces or at very long distances. The optical fibers developed in this way have larger geometric dimensions than the conventional fibers used for telecommunications. Their simplified architecture comprises a core (the central zone where laser radiation is generated and confined) with a diameter between 20 and 100 µm, surrounded by an optical cladding with a diameter between 150 and 400 µm. The lasing effect is obtained by doping the core zone with rare-earth ions. The complexity of manufacturing this type of optical fiber lies in the synthesis of two materials (one for the core, the other for the cladding), based on silica, which must have a perfectly controlled index difference (homogeneous over the entire surface of the material and a controlled value) and be very low (a few 10-4), or even zero. These manufacturing challenges are only partially met by conventional technologies such as MCVD. In addition, heating of the core during laser operation induces thermal expansion of the material. This creates mechanical stress, which alters the optical fiber's index profile (thermo-optical properties of the materials used). A direct and harmful consequence is the alteration of the guiding properties of the heated fiber: the transverse distribution of the laser beam emitted at the laser output becomes unstable. Today, this phenomenon is a brake on progress in terms of the power that can be extracted from fiber-optic power lasers. While increased power can boost the productivity of microengraving systems in microelectronics, for example, an unstable beam will not enable the required engraving precision to be achieved. Similarly, in inter-satellite communications systems, laser beam energy transfer systems will not be able to progress.
It has recently been demonstrated that a significant change in the composition of the core material, in particular through the introduction of boron, can result in a very low, or even zero, thermo-optic dn/dT coefficient. Although the introduction of such dopants has been successfully demonstrated by MCVD, future generations of optical fibers for power lasers will not be able to use this manufacturing process due to the insufficient level of control of index profiles. The XLIM laboratory has demonstrated the relevance of an alternative synthesis method, known as “powder-in-suspension”, and the challenge of the thesis proposed here is to achieve the controlled introduction of boron into a rare-earth ion-doped silica matrix without damaging the optical properties of the glass.
The thesis will be carried out mainly at XLIM, for the materials synthesis part, in collaboration with IRCER. Physico-chemical characterization will be carried out at IRCER. This is a multi-disciplinary thesis, which requires an aptitude for experimental work in the laboratory.

The work carried out as part of this thesis will be of interest to several socio-economic players, including CRT ALPHANOV and laser companies in the Nouvelle-Aquitaine region. In fact, all these players are confronted with the problem of increasing the power of their laser systems.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Université de Limoges

653 Sciences et Ingénierie

Compétences type Ecole ingénieur ENSCI spécialité matériaux, M2 ou équivalent science/chimie des matériaux , notions en photonique.
Skills like ENSCI engineering school specializing in materials, M2 or equivalent in materials science/chemistry, notions in photonics.