Accueil du site >

Etat de l’art

Article publié le 26 mars 2013

L’invention du LASER en 1960 a permis le développement d’un très vaste champ disciplinaire, faisant de l’optique une composante majeure des sciences et des hautes technologies utilisant aussi bien les propriétés optiques linéaires et non linéaires que les effets photoélectriques, électro-optiques, photo-réfractifs, magnéto-optiques et acousto-optiques des matériaux. Les domaines d’application sont civils et militaires. On notera l’importance de l’optique dans des secteurs tels que les nouvelles technologies de l’information et de la communication, l’usinage, la médecine, la spectroscopie, le contrôle de l’atmosphère, la métrologie, la télémétrie, le guidage, la physique des hautes énergies (Projets ILE-Apollon et ELI) et la fusion thermonucléaire (Laser MEGAJOULE).

Le développement de l’optique, tant pour les aspects fondamentaux que pour les applications technologiques, est donc indissociable des progrès en science et génie des matériaux. En effet, l’optique est très consommatrice de matériaux massifs, en couches minces ou en fibres, qu’ils soient inorganiques ou organiques, amorphes ou cristallisés.

Un bon état de l’art sur ces matériaux avait été donné en décembre 97 dans un rapport intitulé Matériaux fonctionnels pour l’optique, rédigé par J.J. Aubert (CEA-LETI Grenoble), J. Delaire (LPPSM ENS Cachan), R. Levy (IPCMS Strasbourg), G. Monnom (LPMC Nice) et G. Roosen (LCF/IO Orsay) sous la responsabilité de P. Chavel (LCF/IO Orsay) dans le cadre des Cahiers de synthèse pour une stratégie du CNRS en science et génie des matériaux. Ce rapport très complet et encore actuel pour bien des aspects soulignait combien il est important de continuer les progrès dans le domaine des matériaux pour l’optique et d’étoffer les liens entre opticiens et spécialistes des matériaux. Les volets prospectifs de ce rapport mettait notamment l’accent sur les cristaux à propriétés lasers, optiques non linéaires et photo-réfractives, en termes d’optimisation et d’amélioration des matériaux existants d’une part, de recherche de nouveaux composés d’autre part.

Plus récemment (2008), le CNRS a créé un groupe d’experts autour des "technologies photoniques émergentes" animé par Claude Amra pour réaliser un document sur la thématique "Matériaux avancés". Dans ce document, R. Moncorgé faisait au nom de la communauté des Matériaux pour l’Optique et les Lasers l’état des lieux suivant :

Les cristaux pour l’optique et les lasers sont soit des cristaux luminescents dopés ou non par des ions optiquement actifs, soit des cristaux à forte susceptibilité non-linéaire d’ordre 2 ou 3. Ils peuvent être l’un et l’autre. On parle alors de matériaux bi-fonctionnels.

A. Les cristaux luminescents sont presque tous des cristaux inorganiques diélectriques ou semiconducteurs dopés par des ions de terres rares trivalents tels que les ions Ce3+, Nd3+ ou Yb3+ ou des ions de métaux de transition du groupe du fer à l’état di-, tri- ou tétra-valent tels que les ions Cr2+, Cr3+, Ti3+ ou Cr4+. Bien qu’on puisse classer ces matériaux de différentes manières, par exemple suivant leurs domaines d’émission, leurs modes de fonctionnement ou leur utilisation, il parait néanmoins préférable de les classer par domaine de longueurs d’onde accessibles, et si on parle ni des semiconducteurs à grand-gap (non-dopés par des ions actifs), qui font l’objet d’une présentation à part (voir paragraphe correspondant), ni des matériaux diélectriques vitreux (fluorures, oxydes et chalcogénures), lesquels sortent de cette présentation dédiée aux monocristaux, on trouve les grandes familles de matériaux suivantes.

A1) Les cristaux diélectriques émetteurs de lumière UV-visible pour les scintillateurs et lasers UV ou multi-couleurs Bleu, Vert, Rouge.

Dans le cas des émetteurs bleu-UV il s’agit principalement de cristaux à « grand-gaps » (jusqu’à environ 12 eV) dopés ou non par l’ion Ce3+ dont, pour les plus importants :

• Li(Y ou Lu)F4 :Ce3+, Li(Ca ou Sr)AlF6:Ce3+ émetteurs de lumière laser accordable dans le proche UV (entre environ 280 et 330 nm).

• BaF2 (émission à 295 et 310 nm), LaCl3 ;Ce3+ et LaBr3 :Ce3+ (émissions vers 350-380 nm), CsI pur (émetteur à 315 nm), CsI :Na et CsI :Tl (émetteur vers 420 nm), LSO (Lu2SiO5) :Ce3+, LYSO (Lu1.8Y.2SiO5) :Ce3+ et LPS (Lu2Si2O7) :Ce3+ (émissions vers 440 nm), YAP (YAlO3) :Ce3+ (émission vers 400nm), PbWO4, CdWO4 (émissions vers 475 nm), tous en tant que scintillateurs rapides. Pour les émetteurs vert-rouge, il s’agit du même type de cristaux dopés par l’ion Ce3+ mais surtout par les ions Er3+ et Pr3+, à savoir :

• BGO (Bi3Ge4O12) et YAG (Y3Al5O12) :Ce3+ (scintillateurs autour de 500nm), YAP (YAlO3), Li(Y ou Lu)F4, KY3F10, BaY2F8 dopés par les ions Er3+ ou Pr3+ (émetteurs laser autour de 550, 610 et 640 nm)

A2) Les mêmes fluorures que précédemment, en particulier la colquiirite LiCaAlF6, et certains oxydes tel que le grenat GSGG (GdGa3Sc2O12) dopés par l’ion de transition Cr3+, ou encore l’alumine Al2O3 (improprement dénommée « saphir ») dopée par l’ion Ti3+, pour des rayonnements lasers très largement accordables ou à impulsions ultra-brèves (quelques cycles lumineux) dans le proche-infrarouge (entre 600 et 1100 nm).

A3) De nombreux oxydes dont (pour les plus importants aujourd’hui) les grenats tel que YAG (Y3Al5O12), les vanadates et les tungstates tels que YVO4 et KGW (KGd(WO4)2), dopés par l’ion Nd3+ mais surtout, de plus en plus, ces mêmes oxydes ainsi que la fluoro-apatite SFAP (Sr5(PO4)3F), les sesquioxydes (Y,Lu ou Sc)2O3 et la fluorine CaF2, dopés par l’ion Yb3+ pour la génération de rayonnements laser de plus en plus puissants, accordables en longueurs d’onde et/ou à impulsions brèves, dans le domaine du proche-infrarouge (entre environ 1000 et 1100 nm).

A4) De nouveau des fluorures et des oxydes tels que LiYF4 ou YAG dopés par l’ion Tm3+ mais surtout des chalcogénures tels ZnSe et CdSe dopés par l’ion Cr2+ (voire Fe2+) pour la génération de rayonnements laser très largement accordables et/ou à impulsions brèves dans le moyen-infrarouge, entre environ 1.8 et 3 µm - sachant que de nombreux systèmes (chlorures, bromures, chalcogénures dopés par les ions de terres-rares Pr3+, Dy3+ ou Er3+) sont susceptibles d’émettre des rayonnements laser de plus grandes longueurs d’onde, en particulier dans les fenêtres de transmission de l’atmosphère dites bandes II et III, situées respectivement entre 3 et 5 et entre 8 et 10 µm.

B. Les cristaux à forte susceptibilité diélectrique d’ordre 2 ou 3 et/ou à propriétés (piezo, acousto-, electro-optiques) intrinsèques remarquables sont également pour la plupart des cristaux inorganiques (diélectriques ou semiconducteurs) mais certains cristaux organiques présentent aussi des spécificités intéressantes. Tous ces cristaux sont étudiés et développés (i) pour le mélange et la conversion de fréquences de rayonnements laser afin d’accéder à des domaines de longueurs allant du proche UV au domaine THz non accessibles en particulier avec les sources laser précitées, et (ii) pour la manipulation spatiale et temporelle de ces mêmes faisceaux. On peut classer ces cristaux dits « non-linéaires » en plusieurs familles :

B1) Cristaux à « grand gap » (autres que semi-conducteurs) pour les domaines UV, visible et proche-infrarouge

• Borates : BBO (BaB2O4), BiBO (BiB3O6), LBO (LiB3O5), YCOB (YCa4O(BO3)3), GdCOB (GdCa4O(BO3)3), CLBO (CsLiB6O10), KABO (K2Al2B2O7), KBBF (KBe2BO3F2) pour la conversion de fréquence vers l’UV et le VUV (UV du vide)

• Phosphates : KDP (KH2PO4), KTP (KTiOPO4) , RTP (RbTiOPO4), KTA (KTiOAsO4) pour la conversion de fréquence dans le visible et le proche-UV

• Niobates, tantalates et iodates : LiNbO3, KNbO3, LiTaO3, liIO3, SBN (SrxBa1-xNb2O6) pour la modulation spatio-temporelle de faisceaux (optique intégrée)

• Tungstates and nitrates : BaWO4, SrWO4, KGW (KGd(WO4)2), Ba(NO3)2 pour le décalage Raman B2) Cristaux semi-conducteurs (surtout pour la conversion de fréquence et les OPOs dans le proche et moyen infrarouge)

• Eléments III-V : GaN et GaAs principalement (quasi-accord de phase - QPM)

• Chalcopyrites : ZnGeP2, AgGaSe2, CdSiP2, AgGaS2, AgGa1-xInxSe2, CdGeAs2, CdSe

B3) Certains Cristaux organiques dont le DAST (dimethylamino)-N-methyl-4-stilbazolium tosylate) pour la génération de rayonnement THz