Soutenance mémoire
L’ion ytterbium
L’ion ytterbium fait partie de la famille des lanthanides, appelés également terres rares. Les lanthanides sont des éléments chimiques dont le numéro atomique est compris entre Z = 57 et Z = 71 dans la classification périodique de Mendeleïev. Ils se différencient les uns des autres par le remplissage progressif de la couche électronique interne 4f après le remplissage complet des couches 5s, 5p et 6s commun à tous les lanthanides. Les ions formés à partir des terres rares sont généralement trivalents et obtenus par la perte des deux électrons de l’orbitale 6s et d’un électron de la couche 4f. L’élément ytterbium, de numéro atomique Z = 70, forme l’ion trivalent Yb3+ possédant 67 électrons par la perte des deux électrons de la couche 6s et d’un électron de la couche 4f. La répartition de ces 67 électrons dans l’ensemble des couches électroniques constitue la configuration électronique de l’ion Yb3+. Nous la notons :
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 4d10 5s2 5p6 4f 13 = [Xe] 4f 13
La couche 4f est incomplète : il manque un électron. À partir de la configuration électronique d’un ion lanthanidique trivalent, il est possible de déterminer tous ses états énergétiques. Un niveau d’énergie 2S + 1LJ désigne un ion de spin total S = Σ si, de moment angulaire orbital total L = Σ li, et de moment angulaire total J = Σ ji, avec |L-S| ≤ J ≤ |L+S|. Cette caractérisation d’un niveau considère un couplage L-S dit de Russel-Saunders.
Avantages et inconvénients de l’ion ytterbium
A température ambiante, le niveau fondamental de l’ion ytterbium est thermiquement peuplé. Le niveau terminal de la transition laser est proche du niveau fondamental : un pompage par lampe flash est donc totalement inefficace pour pomper l’ion ytterbium. Dans l’introduction générale, nous avons également noté que l’utilisation de lampes flash entraîne de faible rendement. L’apparition au début des années 1990 des diodes lasers InGaAs émettant autour de 940 nm a relancé l’intérêt pour des nouvelles matrices dopées par l’ion ytterbium. Ces sources de pompage sont parfaitement adaptées à l’excitation de l’ytterbium qui présente un domaine d’absorption localisé entre 900 nm et 980 nm. L’ion trivalent Yb3+ donne comme l’ion néodyme Nd3+, une émission laser entre 1020 et 1090 nm. L’ion néodyme est l’ion le plus couramment utilisé pour la réalisation des lasers de forte puissance. Cependant, comparé à l’ion néodyme, l’ion ytterbium possède trois avantages majeurs. Tout d’abord, comparé aux structures électroniques très complexes des ions lanthanidiques, et plus particulièrement celui de l’ion néodyme (Cf. Annexe A), l’ion ytterbium a une structure électronique simplifiée. Rappelons que sa structure électronique, composée seulement de deux niveaux énergétiques, permet de s’affranchir des phénomènes d’absorption à partir de l’état excité. En effet, aucun niveau d’énergie supérieure à celle du niveau 2F5/2 n’est accessible à des énergies raisonnables (autrement dit, pour des valeurs de longueurs d’onde supérieures à 260 nm). En particulier, l’onde de pompe, dont la longueur d’onde est située autour de 940 nm, ne peut pas être absorbée par un ion préalablement excité dans le niveau 2F5/2. S’il n’y a pas de phénomène parasite induit par des impuretés, lorsque le matériau laser est pompé, une partie de l’énergie du photon incident est transformée en chaleur : l’écart d’énergie entre le photon de pompe et le photon laser est défini comme étant le défaut quantique ηQ et est responsable de la charge thermique du matériau. L’autre partie de l’énergie du photon incident correspond à la création de moins d’un photon de fluorescence. Son rendement énergétique est égal au rapport des longueurs d’onde de pompe et laser. Les transitions entre les sous niveaux de l’état fondamental et ceux de l’état excité n’étant pas radiatives, l’excédent d’énergie est transformé en chaleur.
Remarque
Il existe d’autres figures de mérite permettant d’évaluer quelles sont les matrices hôtes les plus adaptées pour un ion actif. Une première évaluation, orientée vers les applications d’oscillateurs et les amplificateurs pulsés tient compte des sections efficaces d’émission et des intensités minimales de pompe pour atteindre l’inversion de population [DeLoach93]. Ces critères d’évaluation placent les sesquioxydes en bonne position après les fluoro-phosphates du type Ca5(PO4)3F et les tungstates KGd(WO4)2 (KGdW) et KY(WO4)2 (KYW). Le second modèle, développé par Brenier [Brenier 01-a et -b], fait intervenir, en plus des sections efficaces d’émission stimulées et des durées de vie radiatives, des paramètres expérimentaux liés au pompage par diode : section efficace d’absorption aux longueurs d’onde de pompage et d’émission laser, le profil du faisceau pompe de la diode laser ainsi que la variation de l’intensité durant la propagation. En mode amplificateur, cette évaluation rejoint les résultats obtenus par DeLoach cités précédemment. Par contre, pour une utilisation en oscillateur, les matrices les plus prometteuses sont les tungstates et Sc2O3. En regard des différents critères d’évaluation considérés, les sesquioxydes apparaissent comme des matrices très prometteuses pour le dopage par l’ion Yb3+.
Matériaux lasers sous forme de céramiques
Les matériaux sesquioxydes possèdent des températures de fusion extrêmement élevées, de l’ordre de 2400°C, et sont de ce fait très difficiles à obtenir sous forme cristalline. À ce jour, les dimensions des monocristaux de sesquioxydes de terres rares obtenus par la méthode Czochralski n’excèdent pas quelques millimètres [Fornaserio 99], [Petermann 00], et [Petermann 05]. La solution est la synthèse de céramiques transparentes. Ce procédé consiste en la densification maximale d’une céramique polycristalline jusqu’à ce qu’elle devienne transparente. A l’heure actuelle, la transparence n’est envisageable qu’avec des matrices de systèmes cristallins cubiques car il est nécessaire que l’indice de réfraction du matériau soit isotrope. Ainsi, la lumière qui passe d’un grain à l’autre de la céramique se propage en ligne droite et n’est pas diffusée. Cette technique est bien maîtrisée pour le YAG [Ikesue 95], [Ikesue 96] et [Ikesue 97]. Nous pouvons cependant citer qu’il existe des céramiques pour des matériaux anisotropes [Mao 08], [Taira 10], [Akiyama 10]. Historiquement, le fluorure de calcium dopé dysprosium fut la première céramique laser à être testée par Carnall en 1966. Il existe différentes méthodes de fabrication de céramiques. Nous pouvons entre autre citer la méthode de pressage à chaud ([Carnall 66], [Carnall 69], [Yoldas 75]), la méthode dite de pressage à froid ([Ikesue 95]) ou bien encore la méthode de chimie douce [Mulder 85], [With 85]).
Amélioration des propriétés spectroscopiques
Tout d’abord, d’un point de vue spectroscopique, il a été montré que les spectres d’absorption et d’émission sont modifiés lorsque la température diminue. En effet, nous avons mesuré les spectres d’absorption et d’émission à température ambiante et à basse température (Cf. Annexe B), et nous en avons déduit les sections efficaces d’absorption et d’émission correspondantes. La diminution de la température du milieu amplificateur ne provoque pas seulement une augmentation des valeurs des sections efficaces, mais elle entraîne également un rétrécissement des raies d’absorption et d’émission. Comme évoqué au paragraphe I.1.1.4., cette partie est détaillée en annexe B. D’autre part, la diminution de la température du matériau étudié entraîne une faible diminution de la durée de vie radiative. Citons par exemple, les travaux de Dong et al. [Dong 03]. Ces derniers ont montré que lorsque la température de cristaux Yb :YAG diminue de 300 K à 50 K, les sections efficaces d’émission augmentent d’un facteur 5 et la durée de vie radiative diminue environ d’un facteur 1,5.
|
Table des matières
NOMENCLATURE
INTRODUCTION GENERALE
PREMIERE PARTIE : PERFORMANCES LASERS DE CERAMIQUES SESQUIOXYDES DOPEES YTTERBIUM A BASSE TEMPERATURE
CHAPITRE I GENERALITES SUR LES LASERS A SOLIDES DOPES A L’ION YTTERBIUM
I.1 Les matériaux dopés à l’ytterbium
I.1.1. L’ion ytterbium
I.1.1.1. Diagramme énergétique de l’ion ytterbium
I.1.1.2. Avantages et inconvénients de l’ion ytterbium
I.1.1.3. Laser quasi-3 niveaux
I.1.1.4. Quelques mots sur la spectroscopie de l’ion ytterbium
I.1.2. Choix des matrices hôtes à l’ion ytterbium
I.1.2.1. Figures de mérite
I.1.2.2. Matériaux lasers sous forme de céramiques
I.1.2.3. Morphologie des amplificateurs lasers solides
I.2 Pourquoi les mesures aux basses températures sont-elles si importantes ?
I.2.1. Amélioration des propriétés spectroscopiques
I.2.2. La conductivité thermique : une fonction de la température
I.2.3. Influence de la température sur les autres propriétés thermomécaniques des matériaux lasers
I.3 Conclusion
CHAPITRE II COMPARAISON EXPERIMENTALE DE MATRICES DOPEES YTTERBIUM
II.1 Description du dispositif expérimental
II.1.1. Les échantillons : les systèmes de pompage et de refroidissement
II.1.2. Le montage expérimental
II.1.2.1. Le système de pompage
II.1.2.2. L’oscillateur
II.2 Résultats expérimentaux pour Yb : Y2O3
II.3 Résultats expérimentaux pour Yb : Lu2O3
II.4 Résultats expérimentaux pour Yb : Sc2O3
II.5 Conclusion
CONCLUSION DE LA PREMIERE PARTIE
SECONDE PARTIE : ETUDE DES PROPRIETES THERMOMECANIQUES DE MATERIAUX DOPES YTTERBIUM A BASSE TEMPERATURE
CHAPITRE III MESURES DES COEFFICIENTS D’ELONGATION THERMIQUE ET THERMOOPTIQUE DE MATERIAUX LASERS A BASSE TEMPERATURE
III.1 Etat de l’art des mesures du coefficient d’élongation thermique α et du coefficient thermo-optique dn/dT
III.1.1. Etat de l’art sur le coefficient d’élongation thermique
III.1.1.1. Méthode interférométrique : modèle de l’interféromètre de Michelson
III.1.1.2. Autres méthodes optiques
III.1.1.3. Dilatomètres commerciaux ou développés en laboratoire
III.1.2. Etat de l’art sur le coefficient thermo-optique dn/dT
III.1.2.1. La méthode du minimum de déviation
III.1.2.2. L’ellipsométrie spectroscopique
III.1.2.3. Les méthodes interférométriques
III.1.3. Méthode 2 en 1
III.2 Détermination du coefficient de dilatation thermique linéique
III.2.1. Conditions d’essai
III.2.2. Expression des résultats
III.2.3. Résultats de mesures
III.2.3.1. Coefficients d’élongation thermique de céramiques de sesquioxydes Y2O3, Sc2O3 et Lu2O3 dopées ytterbium à basse température
III.2.3.2. Coefficients d’élongation thermique de cristaux et de céramiques YAG non dopés et dopés en ion ytterbium à basse température
III.2.3.3. Coefficients de dilatation de cristaux CaF2 non dopés et dopés en ion ytterbium à basse température
III.2.3.4. Coefficients de dilatation de verre phosphate dopé néodyme à basse température
III.2.4. Conclusion des mesures du coefficient de dilatation à basse température
III.3 Mesure du coefficient thermo-optique dn/dT
III.3.1. Principe des mesures
III.3.2. Acquisition et traitement des données
III.3.2.1. Acquisition
III.3.2.2. Traitement des données
III.3.2.3. Précision de la mesure
III.3.3. Mesures du coefficient thermo-optique entre 77 K et 293 K
III.3.3.1. Les échantillons
III.3.3.2. Résultats de mesures sur des céramiques sesquioxydes Y2O3, Lu2O3 et Sc2O3 dopés ytterbium
III.3.3.3. Résultats de nos mesures sur des échantillons de YAG dopés ytterbium
III.3.3.4. Résultats de nos mesures sur des cristaux CaF2 non dopé et dopé
III.3.3.5. Résultats de mesures sur un échantillon de verre phosphate dopé néodyme
III.3.3.6. Conclusion des mesures du coefficient dn/dT
III.3.4. Sources d’incertitude
III.3.4.1. Approximation du premier ordre dans le calcul du coefficient dn/dT
III.3.4.2. Influence des fenêtres de la cellule
III.3.4.3. Stabilité de l’interféromètre
III.3.4.4. Stabilité du laser
III.3.4.5. Mesure sans échantillon
III.3.5. Validité des mesures
III.3.5.1. Supports laiton/cuivre
III.3.5.2. Mesure en coin d’air
III.3.5.3. Comparaison mesures coin d’air / teinte plate
III.3.5.4. Mesure en coin d’air : influence du nombre de franges d’interférence
III.3.5.5. Mesure en montée ou en descente en température / Mesure avec ou sans agrandissement du faisceau laser
III.3.5.6. Phénomènes indésirables
III.3.5.7. Le caractère reproductible des mesures
III.4 Conclusion
CHAPITRE IV ETUDE DE FAISABILITE DE MESURE DE LA CONDUCTIVITE THERMIQUE A BASSE TEMPERATURE
IV.1 Généralités
IV.1.1. Loi de Fourier : équation de la chaleur
IV.1.2. Les trois familles de matériaux – notion de conductivité thermique apparente
IV.2 Les régimes stationnaires, transitoires, variables et périodiques établis
IV.2.1. Les méthodes stationnaires
IV.2.1.1. Méthode de la plaque chaude gardée [Deponte 74]
IV.2.1.2. Méthode de la barre [Laubitz 84]
IV.2.2. Les méthodes transitoires
IV.2.2.1. La méthode « flash laser »
IV.2.2.2. Les pertes thermiques
IV.2.2.3. Dépouillement des thermogrammes
IV.2.2.4. . Modélisation 1D du transfert de chaleur : modèle des quadripôles
IV.2.3. Les méthodes en régime quasi-établi
IV.2.3.1. La méthode du fil chaud
IV.2.3.2. La méthode du disque chaud [Hot Disk]
IV.2.3.3. La méthode du plan chaud semi-infini [Jannot 08]
IV.3 Dépendance de la conductivité thermique suivant divers paramètres
IV.3.1. Influence de la température sur la mesure de la conductivité thermique
IV.3.2. Dépendance de la conductivité avec le taux de dopage et de la taille du grain
IV.3.2.1. Les vibrations du réseau
IV.3.2.2. Contribution des phonons à la capacité thermique massique
IV.3.2.3. Expression théorique de la conductivité thermique
IV.3.2.4. La diffusion des phonons dans les matériaux
IV.3.2.5. Fonction du taux de dopage
IV.3.2.6. Fonction de la taille et des joints de grains
IV.4 Mesure de la conductivité thermique à température ambiante
IV.4.1. Les échantillons : notion de transparence et de conductivité thermique apparente
IV.4.2. Mesure indirecte de la conductivité thermique par la méthode flash
IV.4.2.1. Mesure de la densité des matériaux à température ambiante
IV.4.2.2. Détermination de la capacité thermique massique à température ambiante
IV.4.2.3. Traitement des échantillons
IV.4.2.4. Mesure de diffusivité thermique par détection infrarouge (méthode du LNE)
IV.4.2.5. Mesure de diffusivité thermique par contact (méthode du LEMTA)
IV.4.2.6. Mesure directe de la conductivité thermique à température ambiante
IV.5 Mesure de la conductivité thermique à basse température
IV.5.1. Evolution de la capacité thermique massique et de la densité des matériaux à basse température
IV.5.2. Méthode flash laser
IV.5.2.1. Description du dispositif expérimental
IV.5.2.2. Caractère spécifique lié aux sondes de température
IV.5.2.3. Mesure de conductivité thermique à basse température
IV.5.2.4. Estimation de la température de Debye
IV.5.3. Méthode de la sonde annulaire
IV.6 Conductivité thermique en fonction du taux de dopage
IV.7 Conclusion
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
COMMUNICATIONS SCIENTIFIQUES
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXE A : DIAGRAMMES ENERGETIQUES DES IONS LANTHANIDIQUES TRIVALENTS EN SOLUTION VITREUSE [KAMINSKII 81]
ANNEXE B : MESURES SPECTROSCOPIQUES A TEMPERATURE AMBIANTE ET A TEMPERATURE CRYOGENIQUE – DETERMINATION DES SECTIONS EFFICACES D’ABSORPTION ET D’EMISSION
ANNEXE C : METROLOGIE THERMIQUE POUR LA CRYOGENIE
ANNEXE D : AUTRES MESURES EXPERIMENTALES REALISEES SUR NOS ECHANTILLONS
Télécharger le rapport complet
