Thèse en cotutelle entre l'Université Laval, Québec, Canada et l'Université de Bordeaux, Talence, France / Au cours des dernières années, l'intérêt pour les lasers à fibre de haute puissance s'est considérablement accru, démontrant leur efficacité avec des puissances de sortie dépassant 1 kW à 1 μm. Ces lasers sont aujourd'hui largement utilisés dans diverses applications industrielles, notamment dans le traitement des matériaux, en raison des propriétés thermiques, mécaniques et physico-chimiques exceptionnelles du verre de silice. Cependant, lorsque les longueurs d'onde s'étendent dans le spectre infrarouge moyen, les limites inhérentes aux verres de silice deviennent évidentes, principalement en raison de la fenêtre de transmission limitée dans l'infrarouge, des mécanismes de désexcitation et des durées de vie de fluorescence relativement courtes des ions terre rare par exemple. Par conséquent, l'utilisation des verres de silice traditionnels au-delà de 2 μm, en particulier dans le domaine de l'infrarouge moyen, se restreint, ce qui nécessite l'exploration de nouvelles compositions de verre. Parmi les verres adaptés aux applications dans l'infrarouge moyen, les verres d'oxydes lourds Ga$\mathsf{_2}$O$\mathsf{_3}$ - GeO$\mathsf{_2}$ - BaO (ΒGG) se distinguent par leurs avantages uniques. Ces verres oxydes ont une faible énergie de phonon couplée à une température de transition vitreuse supérieure à 500°C, ainsi que des propriétés mécaniques et une durabilité chimique similaires à celles de la silice. La combinaison harmonieuse de ces propriétés fait du verre BGG un excellent candidat, offrant des performances améliorées par rapport à d'autres familles de verre opérant dans l'infrarouge moyen comme les verres fluorés ou les verres chalcogénures. En optimisant le rapport Ga/Ge pour favoriser les matrices gallates riches en gallium, l'énergie des phonons est encore minimisée et les propriétés mécaniques sont améliorées. Malgré les nombreux avantages qu'il offre, le processus de fibrage à partir d'une préforme du verre BGG sous forme de fibres optiques est un véritable défi. La cristallisation de surface, qui se produit pendant le processus d'étirage, a un effet préjudiciable sur la qualité mécanique et optique de la fibre optique, ce qui nécessite la recherche de solutions alternatives. La co-addition d'oxyde d'yttrium et de lanthane a été proposé et a donné des résultats encourageants. Toutefois il est apparu que l'ajout de lanthane déstabilise la composition du verre et tend à favoriser cette fois la cristallisation de phase de type langasite. Outre la cristallisation de surface, le développement de fibres optiques BGG pour des applications dans l'infrarouge moyen se heurte à d'autres écueils, notamment la présence d'impuretés, en particulier les groupements OH. Ces impuretés augmentent non seulement les pertes optiques, mais contribuent également à des phénomènes d'extinction de luminescence d'ions terre rare au sein des fibres actives. Cette thèse aborde les défis actuels dans le développement de fibres optiques robustes et à faible perte fabriquées à partir de verres gallo-germanates (BGe) et de germano-gallates (BGa). L'étude de diverses compositions de verre BGG montre que l'oxyde d'yttrium seul agit comme un « stabilisateur » efficace de la matrice vitreuse, facilitant la production de verres thermiquement stables sans cristallisation pendant l'étape d'étirage. Une analyse de la structure locale du verre montre que l'iintroduction d'oxyde d'yttrium dans les verres germanates et gallo-germanates avec un rapport Ga/Ge compris entre 0.4 et 0.8 favorise la formation de sites de gallium GaO$\mathsf{_5}$ et GaO$\mathsf{_6}$. Cependant, dans les verres germano-gallates avec un rapport supérieur à 1.5, l'introduction d'oxyde d'yttrium n'impacte pas la coordinence du gallium, les cations de gallium n'existent que sous forme d'unités tétraédriques. Ce phénomène est dû à la présence d'un ratio 2Ba/Ga supérieur à 1.5, qui assure une quantité suffisante de baryum pour compenser la charge négative du gallium. Par conséquent, il suffit de 1 mol% d'yttrium pour stabiliser efficacement la composition du verre et empêcher la cristallisation en surface. Afin d'améliorer les propriétés optiques du verre BGa, un processus de déshydratation est mis au point, impliquant une synthèse dans une atmosphère ultra-sèche et l'utilisation d'agents déshydratants fluorés. Cette méthodologie est ensuite appliquée pour fonctionnaliser les verres BGa en y incorporant de l'oxyde de thulium (Tm3$\mathsf{^+}$). La méthode de déshydratation réduit efficacement l'absorption des groupes hydroxyles au sein de la matrice BGG et prolonge de manière significative la durée de vie d'émission des ions Tm$^\mathsf{3+}$ associés à la transition $\mathsf{^3}$F$_\mathsf{4}\ \rightarrow\ ^\mathsf{3}$H$\mathsf{_6}$ sous excitation à 7.9 μm. La durée de vie mesurée associés à la transition $\mathsf{^3}$F$_\mathsf{4}\ \rightarrow\ ^\mathsf{3}$H$\mathsf{_6}$ est d'environ 3.9 ms, dépassant celle obtenue dans la silice, dans les verres tellurite et d'autres compositions de verres germanates rapportés dans la littérature. Le verre BGa peut incorporer plus de 6 mol% de thulium, soulignant son potentiel pour diverses applications. Ces verres présentent une section d'émission substantielle de 4.9×10$^\mathsf{-21}$ cm$^\mathsf{2}$ à 1.8 μm correspondant à la transition $\mathsf{^3}$F$_\mathsf{4}\ \rightarrow\ ^\mathsf{3}$H$\mathsf{_6}$ pour une concentration de TmO$\mathsf{_{3/2}}$ de 2 mol%. Enfin, les compositions gallates sont utilisées pour fabriquer des fibres optiques de type cœur-gaine. Grâce à la technique de coulée dans un moule, une fibre optique multimode déshydratée dopée aux ions Tm$^\mathsf{3+}$ est fabriquée avec succès, avec une atténuation d'environ 1.5 dB.m$^\mathsf{-1}$ à 1.3 μm. Ces avancées soulignent le potentiel remarquable des verres BGG pour des technologies de laser à fibre opérant dans l'infrarouge moyen. / Over the past years, interest in high-power fiber lasers has grown considerably, demonstrating their efficiency with output powers exceeding 1 kW at 1 μm. These lasers are widely used now in a variety of industrial applications, particularly in materials processing, due to the exceptional thermal, mechanical and physico-chemical properties of silica glass. However, as wavelengths extend into the mid-infrared, the inherent limitations of silica glasses become evident, mainly due to emission quenching of rare earth ions, de-excitation mechanisms and relatively short fluorescence lifetimes. As a result, the use of traditional silica glasses beyond 2 μm, particularly in the mid-infrared range requires the exploration of new glass compositions. Among the glasses tailored for mid-infrared applications, heavy metal oxides glass composition Ga$\mathsf{_2}$O$\mathsf{_3}$ - GeO$\mathsf{_2}$ - BaO stand out due to their unique advantages. These oxide glasses have low phonon energy coupled with a glass transition temperature above 500°C, as well as mechanical properties and chemical durability similar to silica. The harmonious combination of these properties positions BGG glass as a superior alternative, offering improved performance compared to other glass families operating in the mid-infrared such as fluoride or chalcogenide. By tuning the Ga/Ge ratio to favour gallium-rich gallate matrices, phonon energy is further minimised while mechanical properties are improved. Despite the many advantages it offers, the process of drawing BGG glass from glass preform into optical fibers is a very challenging. Surface crystallization, which occurs during the drawing process, has a detrimental effect on both mechanical and optical quality, necessitating the search for alternative solutions. It has been reported that the co-addition of yttrium and lanthanum oxide limit the surface crystallization phenomenon. Recently, it was demonstrated that the addition of lanthanum without yttrium destabilize the glass network and promote crystallization. In addition to surface crystallization, the development of BGG optical fibers for mid-infrared applications faces other hurdles, notably the presence of impurities derived from OH groups. These impurities not only increase the optical losses but also contribute to quench the emission of rare reath ions within active fibers. This thesis addresses the current challenges in the development of robust, low-loss optical fibers made from gallo-germanate (BGe) and germano-gallate (BGa) glasses. Through an investigation of various BGG glass compositions, it is shown that yttrium alone acts as an effective « stabilizer » of the glass matrix, facilitating the production of thermally stable glasses that resist crystallization during fiber manufacture. Furthermore, an analysis of the local structure of the glass shows that the inclusion of yttrium in germanate and gallo-germanate glasses composition with a Ga/Ge ratio between 0.4 and 0.8 promotes the formation of GaO$\mathsf{_5}$ and GaO$\mathsf{_6}$ gallate sites. However, in germano-gallate glasses with a ratio higher than 1.5, gallium cations exist only in tetrahedral units upon the incorporation of yttrium into the glass structure. This phenomenon is due to the presence of a 2Ba/Ga ratio greater than 1.5, which ensures a sufficient amount of barium to compensate for the negative charge of gallium tetrahedra. Consequently, as little as 1 mol% of yttrium is sufficient to effectively stabilize the glass composition and prevent surface crystallization. In order to improve the optical properties of BGa glass, a purification process has been developed involving production in an ultra-dry atmosphere and the use of fluorinated dehydrating agents. This methodology is then applied to functionalize BGa glasses by incorporating thulium (Tm$^\mathsf{3+}$) oxide. Notably, the glass is capable of incorporating more than 6 mol% of thulium. The dehydration method effectively reduces the absorption of hydroxyl groups within the BGG matrix and significantly prolongs the emission lifetime of Tm$^\mathsf{3+}$ ions associated with the $\mathsf{^3}$F$_\mathsf{4}\ \rightarrow\ ^\mathsf{3}$H$\mathsf{_6}$ transition. The observed lifetime associated with the $\mathsf{^3}$F$_\mathsf{4}\ \rightarrow\ ^\mathsf{3}$H$\mathsf{_6}$ transition is approximately 3.9 ms, exceeding that of silica, tellurite and other germanate glasses reported in the literature. Furthermore, the BGa glasses exhibit a substantial emission cross-section of 4.9×10$^\mathsf{-21}$ cm$^\mathsf{2}$ at 1.8 μm, with the maximum emission intensity of the $\mathsf{^3}$F$_\mathsf{4}\ \rightarrow\ ^\mathsf{3}$H$\mathsf{_6}$ transition achieved in BGa glass at a TmO$\mathsf{_{3/2}}$ concentration of 2 mol%. Finally, the gallate compositions are used to fabricate core-cladding optical fibers. Using the build-in-casting technique, a dehydrated multimode optical fiber doped with Tm$^\mathsf{3+}$ ions is successfully fabricated with an attenuation of approximately 1.5 dB.m$^\mathsf{-1}$ at 1.3 μm. These advances underscore the remarkable potential of BGG glasses in advancing next-generation fiber laser technologies tailored for a wide range of mid-infrared applications.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/149246 |
| Date | 09 September 2024 |
| Creators | Aouji, Samar |
| Contributors | Messaddeq, Younès, Cardinal, Thierry |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xvii, 185 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
Page generated in 0.0038 seconds