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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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Lire l’articleAuteur(s)
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Wilfried BLANC : Directeur de recherche au CNRS - Institut de Physique de Nice, UMR Université Côte d’Azur et CNRS n° 7010, Nice
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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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2. Fabrication des verres et fibres optiques contenant des nanoparticules
Il existe différentes techniques pour préparer des verres et fibres optiques avec des nanoparticules. Ces dernières peuvent être soit formées dans la matrice vitreuse lors d’un traitement thermique, soit ajoutées dans la matrice vitreuse. Après avoir expliqué brièvement comment préparer un verre et une fibre, nous décrirons les principales techniques utilisées récemment pour la préparation de verres et fibres avec des nanoparticules.
2.1 Introduction aux procédés de fabrication
Il existe de nombreuses techniques pour fabriquer un verre, la plus utilisée étant la méthode fusion-trempe. Cette technique consiste à porter à fusion un mélange de poudre qui, après avoir été homogénéisé, est trempé et finalement recuit pour éliminer les contraintes résiduelles provenant de la trempe. Cette technique est surtout utilisée pour préparer des verres ayant des températures de transition vitreuse faibles et principalement développée pour la recherche car il est impossible d’éviter les contaminations venant du creuset. La méthode solution-gélification, plus communément connue comme la méthode sol-gel, a été développée initialement pour préparer le verre de silice. Cette méthode est dite de « chimie douce » car elle permet de préparer des verres grâce à des réactions de polymérisation minérale à des températures inférieures à celles utilisées pour la fusion. Le procédé de fabrication est simple : des groupements alcoolates de formule M(OR)n (M est un métal ou le silicium et R un groupement organique alkyle CnH2n+1) est d’abord hydrolysé avant la phase de condensation qui conduit à la gélification, la dernière étape étant la phase de vieillissement. Depuis, d’autres verres comme les germanates, tellurites et phosphates ont été obtenus par sol-gel.
Des procédés verriers spécifiques ont été développés pour la préparation des fibres optiques. On peut citer par exemple le forage de la gaine pour l’insertion du cœur ...
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BIBLIOGRAPHIE
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(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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