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RÉSUMÉ
Depuis la première vitrocéramique dans les années 1950, l’intérêt pour la structuration du verre à une échelle micro et nanométrique n’a cessé de croître. En particulier, la présence d'hétérogénéités en composition et structure s'est révélée particulièrement féconde pour obtenir de nouvelles propriétés optiques. Cet article s'intéresse plus particulièrement au cas des verres et des fibres optiques contenant des nanoparticules. Il porte principalement sur les principaux procédés de fabrication et de caractérisation de tels matériaux ainsi que leurs différentes applications telles que les lasers et les capteurs.
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Since the first glass-ceramics developed in the 1950s, there has been growing interest in structuring glass on micro- and nanometric scales. In particular, the presence of heterogeneities in composition and structure has proved particularly fertile for obtaining new optical properties. This article focuses on the case of glasses and optical fibers containing nanoparticles. It focuses on the main fabrication and characterization processes for such materials, and their various applications, such as lasers and sensors.
Auteur(s)
-
Wilfried BLANC : Directeur de recherche au CNRS - Institut de Physique de Nice, UMR Université Côte d’Azur et CNRS n° 7010, Nice
-
Laeticia PETIT : Professeur - Photonics Laboratory, Tampere University, Finlande
INTRODUCTION
Les verres et les fibres optiques contenant des nanoparticules sont des matériaux contenant des particules de dimension inférieure à 100 nm, de structure amorphe ou cristalline et de composition différente de celle de la matrice vitreuse environnante.
Si les nanoparticules métalliques ont permis de colorer des verres anciens tels que des vitraux, leur présence était alors inconnue. Il faut attendre les années 1950, avec l’apparition des vitrocéramiques, pour que la présence d’hétérogénéités (ici des cristaux dans une matrice de verre) soit le ferment de nouvelles perspectives. Les premières applications ont concerné les propriétés thermomécaniques. La présence de nanoparticules induit une diffusion de la lumière, ce qui a retardé le développement de tels verres pour l’optique vis-à-vis de leur transparence. Cependant, à partir des années 1990, la première vitrocéramique transparente était préparée, et la fin des années 90 a vu ce concept étendu aux fibres optiques.
L’une des premières motivations à la présence de nanoparticules consistait à apporter un environnement chimique et structural aux ions luminescents différents de celui de la matrice vitreuse. La combinaison verre + nanoparticules permet ainsi de combiner l’avantage du verre (mise en forme, coût, etc.) tout en ayant des propriétés de luminescence liées aux caractéristiques des nanoparticules. Ces réalisations concernent alors le domaine des sources de lumière, des lasers et des amplificateurs. De telles applications nécessitent généralement des petites nanoparticules (< 100 nm) afin de limiter les pertes optiques par diffusion de la lumière et donc préserver la transparence du matériau. Ce critère est d’autant plus important dans le cas des fibres optiques. Il a cependant été démontré que cette diffusion de lumière pouvait au contraire ouvrir de nouvelles perspectives, en particulier pour la réalisation de capteurs.
L’un des principaux freins au développement de telles fibres optiques réside dans la difficulté à caractériser les nanoparticules. Cependant, les efforts de nombreuses équipes de recherche à travers le monde ont conduit à améliorer les connaissances et les techniques de caractérisation, laissant entrevoir un intérêt de plus en plus important pour cette famille de fibres optiques.
L’objectif de cet article est de dresser un état de l’art des verres et des fibres contenant des nanoparticules. Il situe de tels matériaux dans le contexte des autres verres. Il décrit également les procédés de fabrication de ces verres et fibres optiques, en se basant aussi bien sur la formation des particules par des mécanismes thermodynamiques (nucléation/croissance ou séparation de phase) que par dopage de la matrice vitreuse avec des nanoparticules préparées par voie chimique. Enfin, de nombreuses applications sont décrites, mettant en exergue aussi bien l’intérêt pour les modifications des propriétés spectroscopiques des ions luminescents (tels que les ions de terres rares ou les métaux de transition) que pour la diffusion de la lumière pourtant jugée indésirable pendant des années.
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KEYWORDS
photonics | optical fibers | glass | amorphous and crystalline nanoparticles
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Fabrication des verres et fibres optiques contenant des nanoparticules1. Les verres pour l’optique
1.1 Définition d’un verre
Le verre, dans son acception la plus générale, est un solide non cristallin qui présente une transition vitreuse [AF 3 601]. L’aspect non cristallin fait référence à l’aspect désordonné à longue échelle du réseau vitreux. Par exemple, dans le cas du verre de silice (SiO2), le réseau est constitué de tétraèdres de SiO4 reliés les uns aux autres par les atomes d’oxygène (l’atome de silicium étant au centre du tétraèdre) mais l’arrangement des tétraèdres n’est pas périodique comme dans le cas d’un cristal (tel que le quartz par exemple). Le verre se distingue donc du cristal par son arrangement atomique mais aussi par ses propriétés rhéologiques. Un cristal reste solide jusqu’à sa température de fusion (par exemple ≈ 1700 °C pour le quartz qui est une variété de silice cristalline) au-dessus de laquelle il devient liquide. Pour un verre, cette transition du premier ordre n’existe pas. Lorsque la température augmente, la viscosité du verre diminue continuellement, avec un point d’inflexion à la température dite de « transition vitreuse » (Tg) qui correspond à une viscosité de 1013 Pa.s (environ 1200 °C pour la silice). Ce comportement rhéologique est particulièrement important puisqu’il permet de mettre en forme le verre et de l’étirer pour former des fibres optiques.
Les premiers verres utilisés par les humains étaient d’origine naturelle. Il s’agissait d’obsidiennes (silicates riches en magnésium et en fer) provenant de lave refroidie lentement. Ce verre de couleur noire servait à former des outils tels que des pointes de flèche. Les premiers verres artificiels ont été préparés en Mésopotamie en –2600 et de la vaisselle fut développée en Égypte dès –1450 avec un verre à base de silice, de sodium et de calcium ...
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Les verres pour l’optique
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - CHOPINET (M.H.) - The history of glass. - In Handbook of glass, Springer, pp.1-47 (2019).
-
(2) - GUTZOW (I.S.) - On the etymology of the word glass in European languages and some final remarks. - In Glasses and the glass transition, Wiley, 379-386 (2011).
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(3) - DE LIGNY (D.), MONCKE (D.) - Colors in glasses. - In Handbook of glass, Springer, pp.297-342 (2019).
-
(4) - AROSA (Y.), DE LA FUENTE (R.) - Refractive index spectroscopy and material dispersion in fused silica glass. - Optics Letters 45, 4268 (2020).
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(5) - WIKIPEDIA - Calculation of the Refractive Index of Glasses.Statistical Calculation and Development of Glass Properties. - Archived from the original on 2007-10-15.
-
(6) - AUZEL (F.), PECILE (D.), MORIN (D.) - Er3+ doped...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Chalcogenide based cheap vitreous composition and production process FR1060133
Procédé d’obtention d’un matériau vitreux et optiquement transparent dans l’infrarouge, et dispositif optique comprenant un tel matériau WO2012076527
Capteurs à ondes infrarouges évanescentes et son procédé de fabrication PCT/EP 055038
Chemical species optical sensor operating in infrared WO2011042628
Process for obtaining a glass-ceramic material that is opticallytransparent in the Infrared WO 2012/076527 A1
HAUT DE PAGEConstructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Production de verres d’oxydes, Saint-Gobain
https://www.saint-gobain.com/fr
Production de verres/fibres d’oxydes/chalcogénures, Schott
http://www.schott.com/france/french/index.html
Production de verres/fibres d’oxydes, Corning
https://www.corning.com/emea/fr.html?
Production de fibres optiques, Exail
Production de verres de chalcogénures, Umicore IR-Glass
http://www.umicore.fr/NosActivites/Documents/Acigne.htm
Production de verres et de fibres de fluorures, Le Verre Fluoré
Production de fibres optiques infrarouges, Selenoptics
Production...
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