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1 - CONTEXTE

2 - PROCÉDÉ DE CROISSANCE CRISTALLINE PAR LA MÉTHODE MICRO-PULLING-DOWN

3 - CLASSIFICATION DES ÉQUIPEMENTS ET TECHNIQUES DE TIRAGE PAR Μ-PD

4 - FIBRES MONOCRISTALLINES COMME MILIEU LASER

5 - FIBRES MONOCRISTALLINES SCINTILLATRICES

6 - FIBRES DE SAPHIR POUR LES DÉTECTEURS D’ONDES GRAVITATIONNELLES

7 - CONCLUSION

8 - GLOSSAIRE

9 - REMERCIEMENTS

Article de référence | Réf : E6300 v1

Fibres monocristallines comme milieu laser
Fibres monocristallines - Procédé de tirage par (µ-PD) et applications

Auteur(s) : Kheirreddine LEBBOU

Date de publication : 10 oct. 2021

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RÉSUMÉ

Cet article revient sur la cristallisation de fibres monocristallines à partir de l’état liquide par le procédé micro-pulling down (µ-PD). Les avancées technologiques récentes dans l’ingénierie des procédés, la maîtrise et le contrôle de la cinétique de cristallisation par la technique µ-PD ont permis d’obtenir d’énormes progrès dans la croissance de fibres monocristallines performantes sur mesure pour un large domaine d’applications, en particulier les lasers et les scintillateurs. La croissance de fibres monocristallines de grenats pour des applications lasers et scintillation, ainsi que de saphir pour la détection des ondes gravitationnelles est détaillée et discutée dans cet article.

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ABSTRACT

Single crystals fibers - Growth by micro-pulling down (µ-PD) process and applications

This article reviews the crystallization of single crystal fibers from the liquid state by the micro-pulling down (µ-PD) process. The recent technological advances in process engineering, mastery and control of crystallization kinetics by the µ-PD technique have made it possible to obtain enormous progresses in the growth of performed single crystal fibers tailored  for a wide range of applications in particular lasers and scintillation. The growth of garnets single crystal fibers for laser and scintillation applications and sapphire for gravitational waves detection is detailed and discussed in this publication.

Auteur(s)

  • Kheirreddine LEBBOU : Directeur de recherche au CNRS, - Institut Lumière Matière (ILM), UMR 5306 CNRS, Lyon, France

INTRODUCTION

L'ingénierie moderne utilise des composants fabriqués à partir de cristaux de géométrie contrôlée, principalement sous la forme de plaques, fibres ou tubes, bien que parfois les formes soient beaucoup plus compliquées. Les cristaux de formats et de tailles spécifiques exempts de défauts et d’impuretés sont donc souhaitables ; ils peuvent être utilisés comme produits finaux avec un usinage supplémentaire minimal. Les procédés de croissance cristalline de cristaux massifs (lingots) nécessitent des creusets de cristallisation de dimensions très importantes, de l’ordre de quelques litres, ce qui présente un inconvénient majeur, ces conteneurs constitués de métaux rares tels l’iridium étant coûteux. En plus, de tels creusets possèdent une durée de vie limitée à quelques tirages, du fait de la dégradation chimique à laquelle ils sont soumis, ce qui augmente d’une façon importante le coût de la cristallisation des monocristaux. À partir de 2010, en raison de leurs caractéristiques remarquables dans le domaine des lasers et des scintillateurs, les fibres monocristallines ont fait l'objet d'intenses études. Le développement des guides d'ondes optiques a activé la croissance de fibres monocristallines pour des applications diversifiées.

Le développement de fibres monocristallines est motivé par des applications en optique qui ne sont accessibles ni aux fibres de verres, ni aux formes monocristallines massives. Le monocristal sous forme fibrée permet d'augmenter l’efficacité d’interaction entre le faisceau et le matériau. Pour des utilisations lasers, la configuration fibrée présente également d’autres avantages notamment une dissipation efficace de la chaleur emmagasinée dans le matériau grâce aux faibles distances entre la zone de pompage et le milieu thermostatique extérieur. De plus, en utilisant une grande longueur d’interaction, la concentration en cations activateurs (Nd3+, Yb3+…) peut être diminuée. Ces deux facteurs concourent à minimiser l'échauffement du matériau, ce qui est favorable pour les applications laser de forte puissance. Notons qu’une faible concentration en cations actifs permet également de minimiser les phénomènes de désexcitations non radiatives (extinction de l’émission de lumière par transfert d’énergie entre les ions). De plus, l’efficacité des oscillations lasers dans un réseau hôte monocristallin est souvent beaucoup plus grande que dans un réseau vitreux, car dans ce cas le désordre structural du matériau diminue les sections efficaces d’émission stimulée et la conductivité thermique est moindre. La faible dimension des fibres monocristallines minimise également la présence de défauts responsables de la faible résistance mécanique des matériaux massifs. D'autre part, les fibres monocristallines peuvent être utilisées pour les interactions du second ordre comme la génération d'harmonique, le mélange de fréquences, l’oscillation paramétrique et la modulation électro-optique.

Dans le domaine des scintillateurs, les fibres monocristallines sont de sérieuses candidates pour le développement de nouvelles générations de calorimètres à scintillation pour la physique des hautes énergies. Depuis 2005, l’ILM (Institut Lumière Matière) (ex LPCML) a fortement contribué au développement des fibres scintillantes à base d’oxydes inorganiques, avec en particulier le développement de détecteurs fibrés dans le cadre d’une collaboration avec le CERN. Fort de cette expérience, plusieurs projets de recherche et de développement ont été menés, au début des années 2010, en vue de définir leurs possibilités d’application dans les futures expériences au CERN.

La technique micro-pulling-down (µ-PD) est un procédé de tirage de monocristaux vers le bas, avec des formats (fibre, ruban, tube) contrôlés car imposés par la géométrie du capillaire situés au fond du creuset.

Grâce à cette technique, la cinétique de cristallisation et la stabilité de la composition sont susceptibles d’être étudiées dans une machine de tirage µ-PD à faible coût et rapide, avant que le matériau ne soit recommandé (ou rejeté) pour la croissance cristalline de cristaux massifs par le procédé Czochralski. Cette approche est très efficace pour la recherche de nouveaux matériaux, en particulier dans les universités et les laboratoires de recherche.

L’objectif de cet article est de présenter ce qui caractérise le procédé de tirage de fibres par cette technique, ainsi que les avancées récentes dans la conception d’équipement de tirage µ-PD avec différentes sources de chauffage et les avantages de la méthode pour cristalliser des fibres monocristallines performantes. Nous détaillerons quelques familles de matériaux dopés ou non par des ions de terres rares pour des applications dans le domaine des lasers, des scintillateurs et de la détection des ondes gravitationnelles.

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KEYWORDS

laser   |   detection   |   crystal growth   |   fiber   |   µ-PD   |   scintillation

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e6300


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4. Fibres monocristallines comme milieu laser

Dans le domaine des lasers, dès lors que le système laser met en jeu de fortes puissances et que l’absorption dépasse au moins la dizaine de watts, les problématiques d’échauffement et la prise en compte des effets thermo-optiques ont alors un rôle fondamental. Les fibres monocristallines présentent une géométrie hybride permettant de combiner les avantages des fibres en termes de gestion thermique et des cristaux massifs en termes de propriétés laser intrinsèques. Dans les lasers à cristaux massifs, la pompe est focalisée dans le cristal, puis diverge. La partie absorbée en dehors du mode laser est alors perdue pour le laser. De plus la charge thermique est largement concentrée dans le cristal au point de focalisation de la pompe, ce qui l’échauffe localement et implique un gradient thermique important. Comme on peut l’observer sur la figure 12, l’évacuation de la chaleur se fait alors tout d’abord dans le milieu cristallin, pour arriver enfin au milieu refroidisseur en cuivre installé autour du cristal, qui, lui, possède une conductivité thermique environ quarante fois plus élevée. L’évacuation thermique est donc plus lente et ceci augmente les risques de détérioration du cristal lors d’utilisation de fortes puissances de pompe. De plus, on risque de voir apparaître un effet de lentille thermique qui dégrade alors le mode laser. Les fibres monocristallines offrent une double solution à ces problèmes.

Lentille thermique

Quand le faisceau de pompe est focalisé dans une région à forte absorption, ceci provoque un échauffement local dans un volume assez petit. Or, l’indice de réfraction varie avec la température du matériau. Avec la déformation de la structure due à la dilatation thermique, il en résulte la transformation du cristal en un élément optique convergent ou divergent. Dans ce cas, il y a un effet de lentille thermique.

  • Les diodes laser de pompe utilisées dans les pompages laser ont des ouvertures numériques de l’ordre de 0,2, donc une grande divergence des faisceaux. Or, les matériaux utilisés dans la fabrication de fibres monocristallines pour les lasers sont généralement d’indice assez élevés. Les rayons sont donc guidés par réflexion totale interne, car la différence d’indice entre la fibre cristalline et l’air est assez grande pour obtenir un guidage presque parfait. Comme on le voit sur la...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - TARTACHENKO (V.A.) -   Capillary shaping in crystal growth from melts : I. Theory.  -  J. Cryst. Growth. 37, p. 272-284 (1977).

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  • (5) - LEBBOU (K.) et al -   Journal of the American Ceramic Society.  -  89 [1], p. 75-80 (2006).

  • (6) - KANCHANAVALEERAT (E.), COCHET-MUCHY (D.), KOKTA (M.), STONE-SUNDBERG (J.), SARKIES (P.), SARKIES (J.), SARKIES (Jo.) -   Optical Materials.  -  26, p. 337-341 (2004).

  • ...

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