Le développement de matériaux vitreux magnéto-optiques présentant un effet Faraday élevé répond à un besoin grandissant dans l'industrie des isolateurs de Faraday. Ceux présent sur le marché actuellement sont des monocristaux de Tb₃Ga₅O₁₂ avec une concentration en Tb élevée et un procédé de fabrication coûteux. Dans ce sens, l'objectif de cette thèse est de réaliser des verres et fibres optiques fortement concentrés en terbium. La première approche est basée sur l'élaboration dite « conventionnelle » de verre par la méthode fusion-trempe. Des verres de fluorophosphate suivant la loi de composition (100-x)(70 NaPO₃ 30 BaF₂) x TbF₃ avec x = 35, 40, 45 et 50 mol.% ont été explorés et a permis l'obtention de verre massif présentant une constante de Verdet à 650 nm de -78 rad.T⁻¹.m⁻¹ pour la composition optimale avec x = 50 mol.% en TbF₃. Cette valeur de constante de Verdet est la plus élevée rapportée pour un verre de fluorophosphate. Ensuite, la seconde approche consiste à amplifier la réponse magnéto-optique du terbium en l'associant à une autre terre-rare via le co-dopage. À partir de la composition des verres co-dopés suivant la composition (en mol.%) 35 NaPO₃ - 15 BaF₂ - 0,5 ((100-x) TbF₃ - x REF₃) avec les niveaux de substitution x = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 25, 50 et 100 où RE = Pr, Dy et Ho ont été explorés. Des constantes de verdet à 600 nm de -84,2, -84,5 et -84,5 rad.T⁻¹.m⁻¹ ont été rapportées pour les verres co-dopés respectivement avec du praséodyme, de l'holmium et du dysprosium comparativement à une constante de Verdet de -81,9 rad.T⁻¹.m⁻¹ pour le verre correspondant non co-dopé. Il s'agit à notre connaissance de la première démonstration de l'augmentation de l'effet Faraday par co-dopage dans des matériaux vitreux. L'influence de la géométrie de l'environnement des ions lanthanides sur l'effet associé au co-dopage a été réalisée dans des vitrocéramiques élaborées à partir des verres co-dopés de composition 35 NaPO₃ - 15 BaF₂ - 0,5 ((100-x) TbF₃ - x PrF₃) avec x = 0, 1, 2, 3, 4 et 5. Ceci a permis d'observer une augmentation de l'effet Faraday par co-dopage de 7,5% pour une matrice cristalline comparativement à une augmentation de 3,7% dans une matrice vitreuse. L'interaction de super-échange associé au co-dopage est alors optimisée dans le cadre d'un environnement cristallin en raison du meilleur recouvrement orbitalaire associé. Une approche « non-conventionnelle » pour outrepasser les limites de solubilité du terbium dans une matrice vitreuse est explorée. Elle consiste en l'élaboration de verre par lévitation aérodynamique permettant d'éliminer la cristallisation induite par l'interface liquide-creuset. Des compositions binaires 50 SiO₂ - 50 Tb₂O₃ et 60 Al₂O₃ - 40 Tb₂O₃ en mol.% sont explorés et des constantes de Verdet respectives de -152 et -160 rad.T⁻¹.m⁻¹ à 632 nm sont rapportées. L'exploration de compositions binaires permet également de mettre en évidence l'influence de la matrice sur l'effet Faraday. Enfin, la dernière approche vise à obtenir une fibre optique de silice à partir du procédé MCVD fonctionnalisée par l'incorporation de nanoparticules de Tb₂O₃. L'optimisation de la dispersion ex-situ de nanoparticules via le système MCVD a permis d'obtenir 4 km de fibre optique présentant une concentration de 0,1 at.% en terbium dans le cœur. Cette fibre de silice présente une constante de Verdet à 660 nm de -7,06 rad.T⁻¹.m⁻¹ pour une atténuation variant de 1,34 à 0,13 dB.m⁻¹ de 700 à 1100 nm. Cette valeur de constante de Verdet est la plus élevée rapportée pour une fibre de silice élaboré par MCVD. / The development of magneto-optical glassy materials with a high Faraday effect meets a growing need in the Faraday insulator industry. Those currently on the market are single crystals of Tb₃Ga₅O₁₂ with a high concentration of Tb and an expensive fabrication process. In this sense, the objective of this thesis is to realize glasses and optical fibers highly concentrated in terbium. The first approach is based on the so-called "conventional" elaboration of glass by the melt-quenching method. Fluorophosphate glasses following the composition law (100-x)(70 NaPO₃ - 30 BaF₂) x TbF₃ with x = 35, 40, 45 and 50 mol.% have been explored and allowed to obtain a bulk glass presenting a Verdet constant at 650 nm of -78 rad.T⁻¹.m⁻¹ for the optimal composition with x = 50 mol.% in TbF₃. This value of Verdet constant is the highest reported for a fluorophosphate glass. Then, the second approach consists in amplifying the magneto-optical response of terbium by associating it with another rare-earth via co-doping. From the composition of the co-doped glasses following the composition (in mol.%) 35 NaPO₃ - 15 BaF₂ - 0.5 ((100-x) TbF₃ x REF₃) with substitution levels x = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 25, 50 and 100 where RE = Pr, Dy and Ho were explored. Verdet constants at 600 nm of -84.2, -84.5 and -84.5 rad.T⁻¹.m⁻¹ were reported for the glasses co-doped with praseodymium, holmium and dysprosium respectively compared to a Verdet constant of -81.9 rad.T⁻¹.m⁻¹ for the corresponding non-co-doped glass. To our knowledge, this is the first demonstration of the enhancement of the Faraday effect by co-doping in glassy materials. The influence of the geometry of the lanthanide ion environment on the effect associated with co-doping was carried out in glass-ceramics developed from co-doped glasses of composition 35 NaPO₃ - 15 BaF₂ - 0.5 ((100-x) TbF₃ - x PrF₃) with x = 0, 1, 2, 3, 4 and 5. This resulted in an increase in Faraday effect by co-doping of 7.5% for a crystalline matrix compared to an increase of 3.7% in a glassy matrix. The super exchange interaction associated with co-doping is then optimized in the context of a crystalline environment due to the better associated orbital overlap. An "unconventional" approach to overcome the solubility limits of terbium in a glass matrix is explored. It consists in the elaboration of glass by aerodynamic levitation allowing to eliminate the crystallization induced by the liquid-crucible interface. Binary compositions 50 SiO₂ - 50 Tb₂O₃ and 60 Al₂O₃ - 40 Tb₂O₃ in mol.% are explored and respective Verdet constants of -152 and -160 rad.T⁻¹.m⁻¹ at 632 nm are reported. The exploration of binary compositions also allows to highlight the influence of the matrix on the Faraday effect. Finally, the last approach aims at obtaining a silica optical fiber, from the MCVD process, functionalized by the incorporation of Tb₂O₃ nanoparticles. The optimization of the ex-situ dispersion of nanoparticles via the MCVD system allowed to obtain 4 km of optical fiber with a concentration of 0.1 at.% of terbium in the core. This silica fiber presents a Verdet constant at 660 nm of -7.06 rad.T⁻¹.m⁻¹ for an attenuation varying from 1.34 to 0.13 dB.m⁻¹ from 700 to 1100 nm. This value of Verdet constant is the highest reported for a silica fiber processed by MCVD.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/74087 |
| Date | 12 November 2023 |
| Creators | Bellanger, Brice |
| Contributors | Messaddeq, Younès |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxviii, 243 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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