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Verres et fibres optiques contenant des nanoparticules pour la photonique

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.