Céramiques luminescentes de forte efficacité LASER dans la fenêtre 1.7-2.7 microns – HEMERALD

Calculs thermodynamique via CALPHAD
Méthode de synthèse par ADL (lévitation), voie solide et liquide
Caractérisation structurales , morphologique et spectroscopiques
Frittage naturel et assisté sous champ

A venir

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Le projet HEMERALD (High Efficiency of Massive Emitting ceRAmic for the 1.7-2.7 µm LASER winDow) propose de développer de nouvelles céramiques transparentes en tant que matériaux à gain pour la fenêtre LASER 1,7-2,7 µm. Il rassemble les compétences de 3 partenaires académiques français (ICMCB-Bordeaux, CEMHTI-Orléans et IRCer-Limoges).

Ce programme de travail s’inscrit dans le cadre d’un besoin sociétal concernant le développement de sources LASER compactes hautement énergétiques entre 1,7-2,7 µm. Ces sources peuvent contribuer à améliorer l’efficacité des dispositifs optoélectroniques pour de nombreuses applications : couverture du domaine spectral compatible avec une sécurité oculaire, les soins en santé, la communication optique, le secteur de la défense, les sources de pompage efficaces pour les semi-conducteurs dopés par des métaux de transition, les verres chalcogénures ou encore les oscillateurs paramétriques optiques. En effet, un couplage avec ces derniers composés devrait améliorer considérablement la gamme de puissance produite dans le moyen infrarouge. De nos jours, peu de matériaux cristallisés émetteurs sont disponibles dans cette gamme de longueurs d’onde et leurs performances énergétiques restent limitées. La cible du projet est l’accès à de fortes puissances (jusqu’à 1TW en régime pulsé, fréquence de répétition de 1KHz).

Concernant les compositions cristallines, le champ d’investigation reste centré sur les matériaux pour lesquels les propriétés LASER ont été optimisées sur la base des composés obtenus sous forme de monocristaux. Or la croissance cristallin reste un procédé long et énergivore.
Pour tenir compte des besoins en termes de propriétés thermomécaniques, de seuil de résistance à la corrosion dans l’atmosphère due à l’humidité, à la toxicité des éléments et à de stabilité sous irradiation, le consortium propose d’explorer à travers une approche céramique rapide, un diagramme de phases constitué d’oxydes lourds afin d’identifier de nouvelles compositions et d’élaborer des céramiques transparentes dopées aux terres rares. En effet le diagramme proposé offre les avantages requis pour assurer la transparence des matériaux nécessaire à une application en optique et à la génération de nouvelles longueurs d’onde d’émission dans la plage de valeurs ciblée. On peut par exemple énumérer l’état d’oxydation et les rayons cationiques des éléments du système qui rendent possible une substitution par l’ion dopant (terre rare), l’existence de phases cubiques permettant de limiter les effets de diffusion de la lumière en raison d’un indice de réfraction anisotrope de la microstructure polycristalline frittée ou encore, la masse molaire élevée des éléments (oxydes lourds) qui confère aux systèmes de basses énergies de phonons, limitant ainsi des transferts d’énergie préjudiciables à une bonne efficacité LASER.

Sur la base des propriétés structurales, morphologiques et optiques des poudres synthétisées, les compositions les plus intéressantes seront frittées afin d’obtenir une densification complète des céramiques dopées par des ions terres rares. Les livrables du projet HEMERALD sont d’abonder une base de données rassemblant les propriétés structurelles et optiques des compositions identifiées et de produire des céramiques transparentes présentant des propriétés LASER innovantes.