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Motivations et objectifs du réseau

Article publié le 15 avril 2013

Le réseau CMDO+ concerne la technologie et les métiers liés à l’élaboration, la caractérisation, le conditionnement et la qualification des monocristaux massifs, en couches minces et sous forme de fibres, éventuellement micro- voire nano- structurés, et susceptibles d’être utilisés comme émetteurs laser, convertisseurs de fréquences, modulateurs électrooptiques et acoustooptiques, composants photoréfractifs, rotateurs magnétooptiques, scintillateurs, polariseurs, prismes, lentilles, miroirs ou fenêtres. La compétence de ce réseau s’étend également à la réalisation des dispositifs qui combinent ces différents cristaux.

Le réseau est volontairement restreint aux monocristaux, qu’ils soient massifs ou de taille micro- voire nano-métrique et sous la forme de fibres ou de couches minces. En effet, l’exploitation de ce type de matériau détermine un ensemble de problématiques très spécifiques, que ce soit pour l’élaboration ou la caractérisation. La priorité est donnée aux monocristaux parce que leur élaboration est un domaine peu reconnu et donc trop rarement abordé dans les laboratoires universitaires français, contrairement au cas des matériaux amorphes.

Les objectifs du réseau sont les suivants :


- développer et fédérer les compétences nationales qui portent sur l’élaboration, la caractérisation, l’usinage et le traitement de surface des cristaux pour l’optique ainsi que sur la réalisation de dispositifs utilisant ces cristaux ;
- faire apparaître les complémentarités et les synergies possibles entre laboratoires universitaires ou entre laboratoires universitaires et industriels, et ainsi promouvoir les collaborations ;
- caractériser et qualifier les cristaux pour des applications spécifiques ;
- accompagner des actions de formation et de recherche fédératrices ;
- sauvegarder les acquis technologiques et maintenir la pérennité du savoir-faire ;
- maîtriser l’évolution des technologies, en termes à la fois d’amélioration des techniques existantes, et de conception de nouvelles méthodes d’élaboration et de caractérisation des cristaux adaptées aux nouveaux besoins ;
- participer à la veille et au transfert technologique ;
- transmettre les connaissances ;
- développer une approche complémentaire de celle des GDR, en insistant d’avantage sur les aspects technologiques et d’expertise liés aux thèmes scientifiques abordés ;
- constituer une structure efficace de compétences permettant de répondre à des appels d’offre émanant des ministères et des industriels.

Le réseau s’appuie nécessairement sur une vaste communauté scientifique appartenant aux départements INP, INC et INSIS du CNRS, au CEA (DSM, DRT et DAM) et à d’autres organismes publics telle que la DGA ou l’ONERA. Un premier recensement, non exhaustif, indique une quarantaine de laboratoires et d’instituts de recherche, énumérés dans la liste des laboratoires, directement concernés par le réseau.

Les objectifs du réseau et leurs motivations sont détaillés ci-après :

Développement et fédération des compétences nationales
Caractérisation et qualification des cristaux
Sauvegarde des acquis technologiques, maintien de la pérennité du savoir-faire et transmission des connaissances
Maîtrise de l’évolution des technologies, participation à la veille et au transfert technologique

Développement et fédération des compétences nationales



Actuellement, la France ne possède toujours pas de grand centre de recherche qui regroupe l’ensemble des techniques d’élaboration et de caractérisation indispensables à une recherche exhaustive et performante en science et génie des matériaux monocristallins massifs pour l’optique. Le CEA-LETI de Grenoble rassemblait une grande partie de ces compétences, mais elles ont été progressivement démantelées. Les rares exemples de centres pluridisciplinaires existant actuellement sont l’IKZ à Berlin, le Photonic Research Center (SPRC) de l’université de Stanford, le Center for Research and Education in Optics and Lasers (CREOL) de l’Université de Floride ou l’Institute for Materials Research (IMR) de Tohoku. L’absence ou le manque de telles structures en France et en Europe est peut-être à déplorer compte tenu de l’importance de la caractérisation des cristaux pour définir les stratégies d’optimisation des procédés de cristallogenèse conduisant à l’obtention de matériaux de grande qualité, utilisables dans des dispositifs optiques performants. La nécessité d’une bonne coordination des compétences se justifie d’autant plus qu’une recherche en cristallogenèse peut s’étaler sur plusieurs années, de sorte qu’il est indispensable d’identifier le plus tôt possible les difficultés d’élaboration de certains matériaux.

En fait, la France possède la plupart de ces différents métiers de la recherche, mais avec des équipes spécialisées qui sont le plus souvent réparties dans différents laboratoires. Il existe néanmoins quelques laboratoires pluridisciplinaires mais spécialisés dans une famille de matériaux ou dans une certaine technique, comme par exemple le LCMCP de l’ENSCP à Paris pour les cristaux lasers à propriétés optiques non linéaires tels que les borates Ca4(Gd,Y)O(BO3)3, le CIMAP-MIL (ex CIRIL) à Caen ou l’ILM (ex LPCML) à Villeurbanne pour les cristaux lasers dopés avec des ions de terres rares sous forme de cristaux massifs, de couches minces ou de fibres.

Une alternative au regroupement géographique est de proposer aux différentes équipes complémentaires un travail en réseau sur tous les aspects technologiques importants liés aux cristaux pour l’optique. La plupart de ces équipes appartenaient à l’un ou l’autre des deux GDR concernés, LASMAT et Matériaux et Fonctions de l’Optique Non Linéaire, ainsi qu’au Groupe Français de Croissance Cristalline ou à la Société Française d’Optique (SFO). Un grand nombre d’entre elles adhèrent également à l’autre réseau CNRS créé plus récemment et intitulé CRISTECH, lequel est entièrement dédié aux techniques de cristallogenèse en général, ou au réseau FEMTO pour ce qui est des technologies laser femtosecondes. Les réseaux CMDO+ et CRISTECH permettent ainsi de couvrir tous les besoins, qu’il s’agisse de matériaux pour l’optique ou pour d’autres applications.

Les compétences à développer et à fédérer dans le cadre du réseau CMDO+ portent sur les techniques d’élaboration, de caractérisation, d’usinage, de polissage, d’assemblage et de traitement de surface des cristaux, sur leur micro- voire leur nano- structuration, ainsi que sur la réalisation des dispositifs optiques utilisant ces cristaux. Les compétences et les laboratoires associés qui sont répertoriés dans la liste des laboratoires et de leurs principales compétences sont le fruit d’un recensement non exhaustif en constante évolution. Une première mission du réseau est donc de compléter cette liste et de veiller régulièrement à sa réactualisation. Le document ainsi constitué doit permettre au CNRS d’identifier clairement les domaines à renforcer, ce qui pourra se faire par l’apport de crédits ou le recrutement de personnels spécifiques, par la création de nouveaux sites ou le regroupement éventuel d’équipes existantes.

Caractérisation et qualification des cristaux



L’histoire des composants optiques montre qu’il n’existe pas de cristal universel pour un type d’application donné. En effet, selon la propriété optique visée, la recherche en science et génie des matériaux doit permettre l’émergence de nouveaux cristaux adaptés et optimisés vis-à-vis d’une utilisation spécifique potentielle caractérisée par le domaine spectral, le régime temporel, l’intensité ou la fluence par exemple. Ainsi la qualification d’un cristal, qui doit répondre à des critères spécifiques, nécessite une évaluation qui concerne non seulement la figure de mérite de la propriété optique qui sera exploitée, mais également d’autres propriétés, qu’elles soient chimiques, mécaniques ou thermiques par exemple, et dont les effets pourraient être néfastes pour l’application considérée.

Dans ce contexte, une première mission du réseau est de contribuer à l’identification et à la fiabilisation d’une méthode standard de mesure pour chaque propriété importante. Ce travail est effectué dans les laboratoires des équipes compétentes et lors d’ateliers thématiques pour la mise en commun des idées.

Le réseau procède alors à la caractérisation des cristaux sur la base d’un cahier des charges qui, dans certains cas, peut être établi en partenariat avec des industriels. Les mesures sont réalisées dans les différentes équipes du réseau possédant les méthodes standard. Les résultats des campagnes d’évaluation sont communiqués aux communautés de l’élaboration et des dispositifs lors d’ateliers thématiques ou de colloques. Une analyse critique des résultats peut ainsi aboutir à la qualification d’un cristal pour une application donnée. Ces réunions permettent également une plus grande synergie entre les communautés de l’élaboration et des dispositifs, par la redéfinition du cahier des charges concernant la conception de nouveaux cristaux, les procédés d’élaboration ou les dispositifs.

Ainsi définie, la dynamique de collaboration des équipes du réseau avec les industriels est équilibrée, avec des travaux qui peuvent être impulsés soit par les industriels pour des expertises soit par le réseau pour la mise en avant de ses nouveaux matériaux en vue d’un transfert industriel.

Sauvegarde des acquis technologiques, maintien de la pérennité du savoir-faire et transmission des connaissances



Le répertoire des fiches techniques révèle une richesse de compétences indéniable de la communauté scientifique française dans le domaine des cristaux de l’optique, mais dont certains secteurs d’activité sont peu représentés. Il faut donc veiller à assurer la pérennité des compétences, en renforçant les équipes existantes mais aussi en organisant des réunions de formation, sous forme d’écoles thématiques. Il est souhaitable que ces formations soient organisées conjointement avec des structures déjà en place, comme les écoles thématiques du CNRS patronnées par la Société Française d’Optique (SFO) ou la Société Française de Physique (SFP) par exemple, mais également, quand il est plus particulièrement question de techniques de cristallogenèse, en partenariat avec le nouveau réseau CRISTECH, ce qui s’est déjà fait dans les années récentes.

Maîtrise de l’évolution des technologies, participation à la veille et au transfert technologique



L’évolution des technologies, afférant d’une part à l’élaboration et la caractérisation des cristaux et d’autre part à la réalisation des dispositifs, est essentiellement gouvernée par l’apparition de nouveaux matériaux et par les besoins, en termes de nouvelles conditions d’utilisation ou de nouvelles applications. Ainsi, les équipes participant au réseau se doivent de communiquer la découverte de nouveaux matériaux ainsi que les nouveaux besoins identifiés, à charge ensuite aux ateliers thématiques de travailler à l’évolution des techniques d’élaboration et de caractérisation. Ce réseau doit constituer une structure idéale pour le transfert de technologie, que ce soit pour l’élaboration des cristaux ou pour la réalisation des dispositifs optiques.

Pour ce qui concerne la cristallogenèse, comme mentionné précédemment un partenariat pourrait être envisagé avec le réseau CRISTECH et la plate-forme Cristal-Innov à Chambéry pour mettre en place une structure d’aide aux industriels français de la cristallogenèse, afin de leur permettre d’améliorer leur production et de trouver de nouveaux marchés, notamment par l’industrialisation de nouveaux matériaux.

En matière de mise en forme des cristaux et de réalisation des dispositifs, le réseau pourrait interagir plus fortement avec les plates-formes de technologie de Bordeaux (Alphanov, www.alphanov.com), de Besançon (Centrale Mimento de Femto-ST, www.femto-st.fr) ou de Saint Etienne, ainsi qu’avec la Vallée de l’optique en Ile-de-France qui regroupe plusieurs laboratoires publics et industriels. Le pôle Optique et Photonique du Sud (POP Sud) pourrait également être impliqué.