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1 - LES VERRES POUR L’OPTIQUE

2 - FABRICATION DES VERRES ET FIBRES OPTIQUES CONTENANT DES NANOPARTICULES

3 - CARACTÉRISATIONS DES NANOPARTICULES DANS LES VERRES ET LES FIBRES OPTIQUES

4 - APPLICATIONS DES VERRES MASSIFS ET DES FIBRES OPTIQUES CONTENANT DES NANOPARTICULES

5 - EVOLUTIONS ET RECHERCHES EN COURS – CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

7 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : N4420 v1

Verres et fibres optiques contenant des nanoparticules pour la photonique

Auteur(s) : Wilfried BLANC, Laeticia PETIT

Date de publication : 10 mai 2024

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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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ABSTRACT

Glass and optical fibers doped with nanoparticles for Photonics

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

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-n4420


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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).

  • (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).

  • (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...

1 Brevets

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 PAGE

2 Annuaire

Constructeurs – 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

https://www.exail.com/

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

http://leverrefluore.com/

Production de fibres optiques infrarouges, Selenoptics

http://www.selenoptics.com

Production...

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