Développement par voie Sol-Gel de méthodes d’assemblage de cristaux

La société Cristal Laser est une entreprise de synthèse de cristaux pour l’optique non linéaire. Créée en 1990 par une équipe issue de l’Université de Nancy, cette entreprise a su proposer des produits de très bonne qualité ce qui fait d’elle un leader sur le marché mondial. Ses clients sont principalement regroupés dans trois grands domaines. Tout d’abord, il y a de nombreuses applications dans le médical notamment en chirurgie laser avec par exemple l’ophtalmologie, l’urologie ou la dermatologie. On retrouve aussi le laser en chirurgie esthétique avec le retrait de tatouages ou l’épilation.

Il y a également des applications dans le spatial et le militaire. On peut citer le projet Curiosity (ou MSL : Mars Science Laboratory) comme preuve de la fiabilité des produits de Cristal Laser. En effet le robot en charge de cette mission de reconnaissance sur Mars utilise un laser pour faire différentes découpes/attaques pour ses analyses de composition et dans lequel on trouve entre autre deux cristaux de RTP de Cristal Laser. L’importance de cette mission gérée par la NASA et les conditions extrêmes d’utilisation impliquent nécessairement une qualité et une stabilité à toute épreuve. Au niveau militaire plus particulièrement on a principalement des applications dans le marquage de cibles, des aides à la visée, des contremesures défensives ou des moyens d’aveugler/assommer temporairement des ennemis.

Enfin il y a des applications dans la recherche et l’industrie. Dans la recherche on trouve des lasers dans les spectromètres, en astronomie, pour le refroidissement laser etc. On a également le LIDAR (light detection and ranging) qui est utilisé pour détecter la distance d’un objet, sa vitesse, pour analyser la pollution atmosphérique etc. Pour ce qui concerne l’industrie on utilise les lasers pour la découpe, le marquage, les hologrammes, les systèmes de guidage. On retrouve aussi le laser dans les objets du quotidien : lecture de codes-barres, pointeurs lasers, graveurs cd, outils de calcul des distances etc.

Parmi les différents produits de la société Cristal Laser il y a principalement les cristaux suivants : Le KTP (KTiOPO4) et le KTP.fr pour « fully resistant » pour contrer l’effet de « grey-track » qui diminue la puissance d’utilisation du KTP, ces cristaux servent pour le doublage de fréquence et pour les OPO (oscillateur paramétrique optique). Il y a également le RTP (RbTiOPO4) utilisé dans l’électro-optique, le KTA (KTiOAsO4) pour les OPOs, le LBO (LiB3O5) utilisé dans les lasers à forte puissance et plus récemment développé, le BBO (BaB2O4) pour des applications dans l’ultraviolet.

La synthèse de cristaux est un procédé complexe pouvant être réalisé de différentes façons. On connaît principalement deux grandes méthodes regroupant plusieurs techniques, les deux utilisant une solution concentrée saturée dont la température se trouve au dessus du point de fusion et qui cristallise autour d’un germe. L’une d’elles, dite méthode en flux, consiste à baisser la température du système et donc de se rapprocher lentement de manière contrôlée de la température de solidification/cristallisation et de diminuer la solubilité des espèces en solution. On cristallise ainsi par épitaxie, c’est-à-dire que la croissance cristalline se fait dans la même orientation que le cristal introduit faisant office de germe. La seconde consiste à évaporer le solvant et donc concentrer les espèces dissoutes pour qu’elles finissent par cristalliser sur le germe.

L’entreprise Cristal Laser utilise plutôt cette première méthode parmi les différentes techniques possibles, on peut noter la méthode Czochralski ou les méthodes de croissance par fusion (congruente ou non congruente) qui existent également. Ces procédés impliquent l’utilisation de fours de dimension limitée pour pouvoir parfaitement contrôler toutes les conditions durant la cristallisation. Une plus grande dimension impliquerait également de nouveaux problèmes de défauts dans les cristaux. Cependant certaines applications comme les lasers à forte puissance ont besoin de cristaux de tailles importantes. Pour le moment Cristal Laser arrive à produire des cristaux de KTP de l’ordre d’1 à 1,5 kilogrammes. Dans ce cristal il reste des défauts et il faut découper ce cristal dans une orientation précise pour avoir les propriétés recherchées. A la fin de tout le procédé de découpe et de polissage on obtient au mieux des pièces de l’ordre de plusieurs centimètres. Trouver un moyen de passer au-delà de ces dimensions restreintes par le procédé de fabrication apporterait un avantage important pour toutes les applications nécessitant des puissances plus élevées ou des pièces de taille importantes selon des orientations particulières.

Phénomènes Optiques 

Principe d’un Laser

Le mot “Laser” est l’acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Les principes fondamentaux sur lesquels s’appuie le laser ont été décrits par Albert Einstein[1] en 1917 dans son ouvrage « Quantum theory of radiation » qui lui valut plus tard le Prix Nobel de Physique en 1921. Einstein s’appuie notamment sur les nombreux travaux de Planck, Bohr et Boltzmann sur la lumière pour tenter d’expliquer l’émission du corps noir. Il y explique donc les différents phénomènes qui peuvent avoir lieu, celui d’absorption stimulée qui consiste en l’absorption d’un photon pour envoyer un électron dans un niveau d’énergie excité. Il présente aussi l’émission spontanée qui est le retour au niveau d’énergie le plus stable par désexcitation non radiative. Ce qui nous intéresse surtout c’est le fait qu’il introduit le principe d’émission stimulée (figure 1.1) qui est utilisée dans l’effet laser. Ce principe est simple, un photon incident sert d’onde électromagnétique permettant la désexcitation de l’atome et donc l’émission d’un second photon qui sera dans la même direction, fréquence et phase que le premier photon.

La cavité d’un laser est donc basée sur le fait d’amplifier ce phénomène. Pour ce faire il faut que le plus d’atomes possible soient dans un état excité car ils peuvent donner une émission spontanée ou stimulée car un atome non excité ne peut qu’absorber les photons de la cavité laser. Pour cela on utilise un système dit « de pompage » qui va maintenir ou faire revenir la majorité des atomes à l’état excité. On appelle cela une inversion de population, puisqu’en règle générale la population d’atomes est à l’état fondamental. Cette source de pompage est une source d’énergie qui peut être de différentes natures. On parle de pompage optique lorsque cette source est une irradiation lumineuse polarisée. Ce pompage optique est proposé en 1950 par Alfred Kastler[2] (Prix Nobel de Physique en 1966) qui le développe avec Winter et Brossel[3] pour le mettre au point en 1952.

Suite à ces travaux, en 1953, le premier maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) est réalisé par Charles Townes, James Gordon et Herbert Zeiger[4] . Ancêtre du laser, le maser permettra de nombreuses avancées dans le domaine jusqu’en Novembre 1957 où Gordon Gould invente le principe du laser en s’inspirant de l’interféromètre de Fabry-Pérot. Enfin en 1960, Théodore Maiman[5] réalise la première émission laser à l’aide d’un cristal de rubis (figure 1.3) qui conduira au laser tel qu’on le connait aujourd’hui. Une cavité laser repose sur un matériau lasant, généralement un grenat d’yttrium et d’aluminium de formule Y3Al5O12 dopé néodyme (noté Nd : YAG). C’est ce matériau qui émettra le rayonnement laser. Le néodyme est l’élément qui donne une émission laser de longueur d’onde 1064 nm. En effet lorsque l’on regarde le schéma des niveaux d’énergie du néodyme (figure 1.2) on a un système à 4 niveaux. On peut tout d’abord observer le pompage optique généralement réalisé à l’aide d’une lampe flash produisant des photons de longueur d’onde autour de 800 nm. Ces photons à plus forte énergie permettent aux atomes de passer du niveau fondamental (E1) aux niveaux de plus haute énergie et de se trouver dans des états excités (groupe d’énergie E4). Une fois excité, pour revenir à la stabilité un atome peut soit donner lieu à des désexcitations non radiatives (dégagements d’énergie thermique) soit à des désexcitations radiatives (émission de photon). La probabilité de ces évènements dépend de l’écart énergétique entre les niveaux. Lorsque cet écart est faible (par exemple entre E3 et E4 et entre les niveaux E4) les transitions non radiatives l’emportent. En revanche quand les niveaux ont un grand écart en énergie (ici entre E3 et E2) alors la désexcitation radiative est prépondérante et on a émission de photons. Ces photons émis correspondent en énergie à l’écart des niveaux, c’est de cette façon qu’on obtient un faisceau laser de photons à 1064 nm. Pour finir on a aussi une désexcitation non radiative pour revenir à E1 depuis E2. Ces informations nous amènent ici à un point important, celui de l’énergie thermique. Le YAG sert aussi de radiateur permettent à cette énergie thermique de diffuser au sein de matériaux pour être évacuée. On voit ici que l’échauffement local sera à prendre en compte pour la stabilité de la colle que l’on devra utiliser.

Le système de pompage qui entrainera cette inversion de population est souvent une lampe flash comme on l’a cité précédemment. On peut également utiliser des diodes laser, c’est-à-dire qu’on utilise un laser pour alimenter un autre laser plus puissant. Enfin le matériau lasant doit être entouré de miroirs, un premier miroir 100% réfléchissant pour maintenir la lumière dans la cavité et un second miroir semi-réfléchissant. Ce dernier miroir réfléchit par exemple 95% et laisse passer 5% de la lumière. C’est ce 5% qui sort de la cavité qui donne le faisceau laser.

Les nombreuses applications actuelles des lasers ont déjà été décrites dans la présentation des différents clients de Cristal Laser de l’introduction. Cependant ces applications présentent des limitations. Par exemple depuis la signature des accords de Genève d’autres conventions s’y sont ajoutées et notamment la convention sur certaines armes classiques (CCAC/CCW). Dans cette convention, le protocole IV relatif aux armes laser aveuglantes signé en 1995 et prenant effet en 1998 précise qu’elles ne doivent pas causer de cécité irréversible. Ceci implique l’emploie de puissances limitées ou de longueurs d’ondes sans risques pour l’homme (Citation : Convention sur Certaines Armes Classiques[6]). Cependant toutes les longueurs d’ondes ne sont pas disponibles car elles dépendent des matériaux utilisés. Le laser Nd : YAG donne par exemple un laser à 1064 nm donc dans l’infrarouge. Certaines entreprises de laseristes comme Oxxius proposent justement des sources lasers à d’autres longueurs d’onde en essayant de proposer la gamme la plus large possible pour couvrir le spectre de l’UV à l’Infrarouge. Pour ce faire il y a deux solutions, la première consistant à développer une source puissante à ces longueurs d’ondes ce qui n’est pas toujours aisé puisqu’il faut trouver un atome dont les niveaux d’énergie correspondent à cette longueur d’onde. La seconde consistant à utiliser l’optique non linéaire que nous  présenterons plus loin. Enfin la limitation la plus importante dans ce domaine est celle qui correspond au sujet de cette thèse puisqu’il s’agit de résoudre un problème de dimensions. Dans un premier temps de la taille même des cristaux. Puisque comme cela a été décrit plus tôt la méthode de synthèse limite elle même la taille des cristaux. Or, des cristaux d’une taille plus importante impliquent nécessairement (de par le mécanisme du laser explicité précédemment) une meilleure puissance voir un meilleur rendement. Deux types de collage peuvent être intéressants (figure 1.4), le collage en mosaïque pour augmenter la face optique d’entrée dans le cas où la croissance cristalline ne permet pas d’obtenir de grandes ouvertures. Obtenir de plus grandes ouvertures de cristaux permet de réaliser certains montages ou d’augmenter la puissance après refocalisassions du faisceau. Il peut y avoir aussi le collage longitudinal qui permet notamment la compensation du « walkoff » rencontré dans les applications SHG (génération de seconde harmonique) et OPO (oscillateur paramétrique optique). Le walk-off est une légère divergence, de direction entre la distribution de l’intensité et le vecteur onde, due à la biréfringence du système optique non linéaire et qui implique une perte d’efficacité.

Table des matières

Introduction
Chapitre 1 : Etude Bibliographique
A. Phénomènes Optiques
i. Principe d’un Laser
ii. Optique non Linéaire
B. Sol-Gel et Silicates
i. Sol-Gel
ii. Les silicates
C. Geopolymères
D. Systèmes d’assemblage de composants optiques
i. Contactage optique
ii. Colles sol-gel
Chapitre 2 : Etude de différentes solutions d’assemblage/collage
Premiers Tests
A. Activation de Surface
B. Films de KTP
C. Colle à base de solution d’acide silicique
D. Colle Basique
i. Autres cations alcalins
ii. Optimisation
iii. Diagrammes de composition
iv. Le rôle du Bore
E. Conclusion de Chapitre
Chapitre 3 : Réalisation d’assemblages
A. Définition de la problématique du collage optique et mise en place des procédés
d’encollage
i. Dépôt de films de colle
ii. Collage Simple
iii. Dépôt et collage horizontaux
iv. Collage vertical
v. Effet de la force de pression du robot sur l’épaisseur
vi. Mesures d’épaisseur attaquée
vii. Traitements de la solution
B. Résultats des collages
i. Collages SiO2/SiO2
ii. Collages KTP/KTP
iii. Collages YAG/YAG
iv. Collages Quartz/Quartz
v. Collages « Quartz-SiO2/SiO2-Quartz »
vi. Collages SiO2/Autres matériaux
vii. Collages YAG/Quartz
viii. Collages Supplémentaires Cristal Laser
ix. Conclusion sur les Collages/Assemblages
C. Traitements thermiques
i. Collages SiO2/SiO2
ii. Collages KTP/KTP
iii. Collages YAG/YAG
iv. Collages Quartz/Quartz
v. Collages « Quartz-SiO2/SiO2-Quartz »
vi. Collages SiO2/Autres matériaux
vii. Collages YAG/Quartz
viii. Collages supplémentaires Cristal Laser
ix. Résultats supplémentaires Oxxius
x. Conclusion sur les Traitements thermiques
D. Etude de la résistance mécanique des assemblages
i. Résistance à la Découpe
ii. Résistance au Polissage
iii. Résistance mécanique à la force de fracture
E. Caractérisation supplémentaires
i. Mesure de transmittance de la colle
ii. Tests d’amplification paramétrique ONERA
iii. Tests DGA sur prototypes de cavités laser
F. Conclusion du chapitre
Conclusion

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