Dans le cadre de ce travail, nous nous sommes intéressés à un concept innovant d’empoisonnement homogène des neutrons par insertion de terres rare (erbium et gadolinium) dans les gaines en alliage de zirconium pour les réacteurs à eau pressurisée. L’étude des équilibres entre phases des alliages erbium–zirconium et gadolinium–zirconium est indispensable comme préalable à la mise en oeuvre industrielle de ce procédé prometteur d’empoisonnement. Ce travail a consisté à déterminer expérimentalement le diagramme de phases du système erbium–zirconium. Nous avons, par le biais de différentes caractérisations, obtenu des données diagrammatiques. Avec celles-ci, nous proposons un nouveau tracé du diagramme de phases. Celui-ci est radicalement différent de celui disponible dans la littérature. Nous avons modélisé le système par l’approche CALPHAD. Nous avons également déterminé les limites de solubilité des solutions solides terminales du système gadolinium–zirconium. Les données obtenues expérimentalement sont en accord avec le tracé expérimental de la littérature et avec le modèle thermodynamique disponible. Afin de prendre en compte l’oxydation des gaines en service, nous nous sommes également intéressés aux systèmes erbium–oxygène–zirconium et gadolinium–oxygène–zirconium. Le premier système a fait l’objet d’une étude expérimentale. Nous avons mis en place un procédé de synthèse par métallurgie des poudres, incluant la synthèse de celles-ci à partir de métaux massifs. La caractérisation des échantillons ternaires nous a permis de proposer deux coupes isothermes (800°C et 1100°C). Pour le système gadolinium–oxygène–zirconium, nous avons prédit les équilibres entre phases à différentes températures à l’aide de calculs effectués à partir d’une base de données que nous avons construite avec les modèles thermodynamiques de la littérature des systèmes oxygène–zirconium, gadolinium–zirconium et sesquioxyde de gadolinium–zircone. Enfin, nous avons travaillé avec des alliages erbium–zirconium fabriqués en milieu industriel. Nous nous sommes intéressés à leurs propriétés mécaniques en traction, en lien avec leur microstructure. Nous avons mis en évidence l’effet durcissant de l’erbium, notamment à 325‰°C / This work is a contribution to the development of innovating concepts for fuel cladding in pressurized water nuclear reactors. This concept implies the insertion of rare earth (erbium and gadolinium) in the zirconium fuel cladding. The determination of the phase equilibrium in the systems is essential prior to the realisation of such a promising solution. This study consisted in the experimental determination of the erbium–zirconium phase diagram. For this, we used many different techniques to get diagram data like solubility limits and solidus, liquidus or invariant temperatures. With these data, we were able to give a new diagram, very different from the literature one. With the experimental data we collected, we also assessed the diagram, using the CALPHAD approach. In this work, we also determined the solubility limits of the gadolinium–zirconium system. Those limits had never been determined before, and the values we obtained are in excellent agreement with the experimental and with the assessed diagrams. Because these alloys are subjected to oxygen diffusion throughout their life, we focused our attention on the erbium–oxygen–zirconium and gadolinium–oxygen–zirconium system. The first system has been investigated experimentally.We used many different synthesis techniques, and we finally have opted for a powder metallurgy one. As raw material, we fabricated powder from erbium and zirconium bulk metals using hydrogen absorption/desorption. With the formed ternary pellets, we investigated the phase equilibria at 800°C and 1100°C. With the obtained data, we propose two isotherms at those two temperatures. For the gadolinium–oxygen–zirconium system, we calculated the phase equilibria at temperatures ranging from 800°C to 1100‰°C, using a homemade database compiled from literature assessments of the oxygen–zirconium, gadolinium–zirconium et gadolia-zirconia systems. We also determined the mechanical properties, in connexion with the microstructure, of industrial quality alloys in order to identify the influence of erbium content. We highlighted the hardening influence of erbium at 325‰°C

Au cours de cette thèse, nous nous intéressons à deux applications nécessitant des sources laser impulsionnelles : l'imagerie active et l'usinage laser. L'imagerie active nécessite des sources laser efficaces émettant dans la gamme de sécurité oculaire (entre 1,5 µm et 1,7 µm) à des cadence de l'ordre du kilohertz et produisant des énergies par impulsion de plusieurs millijoules. Les sources efficaces émettant dans la gamme de sécurité oculaire utilisent l'ion erbium. Cependant la structure électronique complexe de l'ion erbium entraîne de nombreux effets parasites qui limitent fortement l'énergie accessible lors d'un fonctionnement à haute cadence. Pour diminuer l'influence de ces effets parasites nous avons utilisé le concept de fibres cristallines dans le cadre d'une collaboration entre le Laboratoire Charles Fabry et l'entreprise Fibercryst. La géométrie des fibres cristallines, combinant les propriétés des cristaux massifs et les avantages des fibres en verre nous a permis de dépasser les limites des sources actuelles. L'usinage de matériaux requière des sources laser impulsionnelles émettant dans le proche infrarouge (1 µm) et alliant forte énergie, forte puissance crête et forte puissance moyenne. Pour réaliser de telles sources, il est nécessaire d'utiliser des milieux à gain permettant de limiter les phénomènes thermiques et les effets induit par la puissance crête (effets non-linéaires). Pour cela nous avons utilisé à nouveau le concept de fibre cristalline, dopée cette fois ci par l'ion néodyme. Ces fibres cristallines ont été utilisées comme amplificateur de puissance pour amplifier des micro-lasers fonctionnant à haute cadence (de 1 à 100 kHz) et produisant des impulsions courtes (< 1 ns). / In this thesis we investigate two different pulsed laser sources for two specific applications : remote sensing and material processing. On the first part, remote sensing require efficient laser source emitting in the eye-safe range (1.5 – 1.7 µm) and producing several millijoules per pulse at a few kilohertz. Efficient eye-safe laser sources use erbium doped gain media. Nevertheless, the complex electronic structure of the erbium ion leads to several parasitic effects which limit the energy at high repetition rate. In order to minimize those effects we have used the concept of single crystal fibers developed in a close collaboration between the Laboratoire Charles Fabry and the company Fibercryst. The specific geometry of single crystal fibers, merging the advantages of bulk crystals and optical fibers, allows us to overcome limits of current laser sources. On the other part, material processing require near-infrared pulsed laser sources (1 µm) with high pulse energy, high average power and high peak power. In such laser sources, the amplifying medium must be design to avoid both thermal effects and non liner effects. For this purpose, we used neodymium doped single crystal fibers as power amplifier to enhance the performance of passively q-switched microlasers operating at high repetition rate (1 to 100 kHz) and emitting short pulses (< 1 ns).

Parmi les nombreuses applications des sources laser, certaines nécessitent une propagation du faisceau dans l'atmosphère sur plusieurs kilomètres : télémétrie, désignation, ou encore imagerie active. Pour éviter tout risque oculaire tout en proposant de plus grandes portées, ces applications doivent faire appel à des sources laser émettant une longueur d'onde dans la gamme à sécurité oculaire autour d'un minimum local d'absorption de l'atmosphère (1550-1650 nm). De telles sources existent déjà commercialement, mais ne répondent pas aux exigences militaires de compacité, de consommation électrique, de performance et de fonctionnement sur une large gamme de température (-40°C/+60°C).Mes travaux de thèse tentent d'apporter une réponse à l'ensemble de ces exigences. Avec l'aide des partenaires industriels Fibercryst et Cilas, ils portent sur la réalisation de sources laser compactes et efficaces à fibre cristalline Er3+:YAG directement pompée par une diode laser pour des applications militaires.A l'aide d'un algorithme de simulation d'un laser Er3+:YAG déclenché passivement élaboré et affiné durant la thèse, plusieurs sources sont réalisées expérimentalement. L'étude autour des absorbants saturables pour le déclenchement passif a permis une amélioration notable des caractéristiques du faisceau.Ces recherches, dont les résultats peuvent déjà présenter un certain intérêt commercial, ouvrent la voie vers de nouvelles techniques et architectures autour des sources laser à cristaux dopés aux ions erbium pour la conception de futurs prototypes plus performants. / Among the several applications of laser sources, some requires kilometers range propagation in the atmosphere : telemetry, guidance system or active imagery. High pulse energy improves the range of the system, but may cause permanent blindness to an observer's eyes. Hence, these applications must use laser beam which wavelength are located in the eye-safe region, ideally at the local minimum of the atmosphere absorption (1550-1650 nm). Such laser sources are already commercially available, but are not suited for the demanding military needs : compacity, electrical consumption, performance and large operating temperature range (-40°C/+60°C).My work aims to develop a laser source filling these specifications. Thanks to the collaboration with the industrial partners Fibercryst and Cilas, it focuses on the design of a compact, efficient, directly diode-pumped Er3+:YAG single cristal fiber laser for military applications.With a homemade numerical simulation of a passively Q-switched Er3+:YAG laser source, many laser emitters are experimentally designed and compared. Further studies around saturable absorbers allowed sensible improvements of the output pulse energy.This work, whose results may already be commercially interesting, may lead to new technics and architectures of erbium doped solid-state laser for better prototypes.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:36:13Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:59:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 03764.pdf: 1726774 bytes, checksum: 796db2a57899dea32f57ba34e954e2c2 (MD5) / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:36:13Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:59:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 03764.pdf: 1726774 bytes, checksum: 796db2a57899dea32f57ba34e954e2c2 (MD5) / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

No description available.

Lithium niobate (LiNbO3) is a human-made crystalline which is widely used in modern photonics due to its useful properties. In recent years, there has been significant progress in the development of lithium niobate on insulator (LNOI) technology, realizing a fully functional photonic integrated circuits, thanks to its capabilities in both electro-optics and second-order optical nonlinearity. To integrate laser source and amplifier onto the photonic integrated chips, rare-earth-ion doping has been considered while traditional laser source is difficult to integrate on chip. Among the rare-earth ions, erbium ions can provide laser source at 1550nm, which can meet the requirements of high-speed telecommunication band. In this thesis, we investigated a recent-made erbium-implanted LNOI sample through setting up a homebuilt microscope system. By exciting the erbium-implanted area with 980nm continuous wave laser, the emission light around 1550nm was collected and measured. Developing the setup with an automatic scanning code, the photoluminescence response of the implanted area on the sample was mapped. Conclusively, the investigation of the implanted samples demonstrated that the erbium-ion emitters could emit measurable photoluminescence signal around 1550 nm wavelength in spite of background noise and notably at room temperature. These results demonstrated the capability of the designed microscope while still need to be improved in terms of detectors sensitivity and signal to noise ratio. It also revealed the promising implantation of active Er ions into LNOI chips conveying the fabrication of Er photon sources on thin film lithium niobate in next step. / Lithiumniobat (LiNbO_3) är en konstgjord kristall som är allmänt använd inom modern fotonik på grund av dess användbara egenskaper. Under de senaste åren har det skett betydande framsteg inom utvecklingen av teknologin för litiumniobat på isolator (LNOI), vilket har resulterat i fullt fungerande fotoniska integrerade kretsar, tack vare dess förmågor inom både elektrooptik och optisk icke-linjäritet av andra ordningen. För att integrera laserskälla och förstärkare på de fotoniska integrerade kretsarna har överväganden gjorts om tillsats av sällsynta jordartsmetaller, eftersom det är svårt att integrera traditionella laserskällor på kretsar. Bland de sällsynta jordartsmetalljonerna kan erbiumjoner fungera som laserskälla vid 1550 nm, vilket uppfyller kraven för höghastighetstelekommunikationsbandet. I denna avhandling undersökte vi nyligen tillverkat ett LNOI-prov som hade implanterats med erbiumjoner genom att bygga upp ett hemgjort mikroskopsystem. Genom att excitera det erbium-implanterade området med en 980 nm kontinuerlig våglaser samlades och mättes utstrålningen vid 1550 nm. Genom att utveckla installationen med en automatisk skanningskod kartlades fotoluminescensresponsen hos det implanterade området på provet. Sammantaget visade undersökningen av de implanterade proverna att erbiumjonemitterare kunde avge mätbara fotoluminescenssignaler vid en våglängd omkring 1550 nm trots bakgrundsbuller och framför allt vid rumstemperatur. Dessa resultat bekräftade mikroskopets kapacitet, även om förbättringar behövs vad gäller detektorns känslighet och signal-till-brusförhållandet. De avslöjade också den lovande implanteringen av aktiva Er-joner i LNOI-kretsar och möjligheten att tillverka Er-fotonkällor på tunna filmer av litiumniobat i nästa steg.

Doctor of Philosophy / Department of Physics / Hongxing Jiang / III-nitride photonic devices such as photodetectors (PDs), light emitting diode (LEDs), solar cells and optical waveguide amplifiers were designed, fabricated and characterized. High quality AlN epilayers were grown on sapphire and n-SiC substrates by metal organic chemical vapor deposition and utilized as active DUV photonic materials for the demonstration of metal-semiconductor-metal (MSM) detectors, Schottky barrier detectors, and avalanche photodetectors (APDs). AlN DUV PDs exhibited peak responsivity at 200 nm with a very sharp cutoff wavelength at 207 nm and extremely low dark current (<10 fA), very high breakdown voltages, high responsivity, and more than four orders of DUV to UV/visible rejection ratio. AlN Schottky PDs grown on n-SiC substrates exhibited high zero bias responsivity and a thermal energy limited detectivity of about 1.0 x 1015 cm Hz1/2 W-1. The linear mode operation of AlN APDs with the shortest cutoff wavelength (210 nm) and a photocurrent multiplication of 1200 was demonstrated. A linear relationship between device size and breakdown field was observed for AlN APDs. Photovoltaic operation of InGaN solar cells in wavelengths longer than that of previous attainments was demonstrated by utilizing InxGa1−xN/GaN MQWs as the active layer. InxGa1-xN/GaN MQWs solar cells with x =0.3 exhibited open circuit voltage of about 2 V, a fill factor of about 60% and external quantum efficiency of 40% at 420 nm and 10% at 450 nm. The performance of InxGa1-xN/GaN MQWs solar cell was found to be highly correlated with the crystalline quality of the InxGa1-xN active layer. The possible causes of poorer PV characteristics for higher In content in InGaN active layer were explained. Photoluminescence excitation studies of GaN:Er and In0.06Ga0.94N:Er epilayers showed that Er emission intensity at 1.54 µm increases significantly as the excitation energy is tuned from below to above the energy bandgap of these epilayers. Current-injected 1.54 µm LEDs based on heterogeneous integration of Er-doped III-nitride epilayers with III-nitride UV LEDs were demonstrated. Optical waveguide amplifiers based on AlGaN/GaN:Er/AlGaN heterostructures was designed, fabricated, and characterized. The measured optical loss of the devices was ~3.5 cm−1 at 1.54 µm. A relative signal enhancement of about 8 dB/cm under the excitation of a broadband 365 nm nitride LED was achieved. The advantages and possible applications of 1.54 µm emitters and optical amplifiers based on Er doped III-nitrides in optical communications have been discussed.

Cette thèse, consacrée à la synthèse de fluorures dopés par des ions de terres rares par chimie douce, a fait l'objet de deux types de synthèses particulières : la synthèse sol-gel et la synthèse par micelles inverses, toutes deux réalisées dans des milieux non-aqueux. La synthèse sol-gel, consistant en la dissolution d'acétates métalliques dans de l'acide trifluoroacétique et de l'isopropanol, a été mise en œuvre afin de réaliser des guides d'ondes amplificateurs à 1.54 μm grâce au dopage à l'erbium. La réalisation des films par dip-coating de sols de PbF2 :Yb-Er (20-10 %) sur des substrats de CaF2 a permis la réalisation de films de qualité suffisante à la réalisation de guides pouvant propager un faisceau laser à 632.8 nm avec des pertes de 5 dB/cm sur ces films mais des progrès restent à faire pour l'amplification à 1.54 μm. Des cristaux se sont formés dans les sols de K3InF6. Selon les conditions d'évaporation du sol, ces cristaux sont différents. Ils ont permis de caractériser des intermédiaires réactionnels permettant, après recuit, de former le fluorure cristallin. Plus le sol évolue, plus les groupements acétates présents initialement en solution autour des cations sont remplacés par des groupements trifluoroacétates. La méthode des micelles inverses dans un milieu non-aqueux a été développée sur le modèle de synthèses existantes. Dans notre cas, le surfactant est du polystyrène, son solvant est le tétrahydrofurane. Le solvant de cœur de la micelle inverse, cœur dans lequel se déroulent les réactions de synthèse des nanoparticules est l'isopropanol. Ces nanoréacteurs, caractérisés par diffusion de neutrons aux petits angles, sont de type coquille avec une taille maximale de 10 nm lorsque le volume d'isopropanol est introduit dans la quantité limite de stabilité de la micelle. Les nanoparticules synthétisées à partir de ces micelles ont des tailles variant de 3 à 35 nm en fonction du taux de dopage en ions de terres rares introduits dans la solution d'isopropanol ainsi que de la nature du contre-ion précurseur (nitrate ou acétate) et de la matrice fluorée (PbF2 ou CaF2). Les propriétés spectroscopiques de l'erbium varient également en fonction de la matrice dans laquelle il est introduit. Les temps de vie des états excités de l'erbium sont plus longs lorsqu'il se trouve dans PbF2 plutôt que dans CaF2. Des nanoparticules de fluorure de plomb co-dopées ytterbium-erbium ont permis d'observer en imagerie en champ proche des objets avec une résolution de 150 nm.

No description available.