Projet ANR-15-ASTR-0016 – VOIR : Verres pour l'Optique dans l'InfraRouge long
Programme : Liberté et sécurité de l’Europe, de ses citoyens et de ses résidents (ASTRID) 2015
Année de financement : 2015
Coordinateur du projet : Monsieur EUGENE BYCHKOV (Laboratoire de Physico-Chimie de l'Atmosphère)
Partenaires : Laboratoire public; Laboratoire public
Montant : 287144.0 euros
Date de début : 2015
Durée : 36 mois
Résumé : A l'instar des ondes terahertz il y a encore une quinzaine d'année, le domaine spectral de l'infrarouge long entre 20 et 40 µm est encore peu exploité, certainement en raison de l'absence de source lumineuse et de matériels disponibles.  Pourtant, des projets comme SOFIA (``Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy'') développé par la NASA, ont démontré que des mesures dans cette gamme de longueurs
d'onde fournissent des informations importantes et inaccessibles à des longueurs d'onde plus basses. Par exemple, des données essentielles
ont été obtenue sur la nature de la queue des comètes en tirant avantage d'un rapport longueur d'onde sur taille des grains de poussière, plus important, atténuant ainsi la diffusion.  Notons également que l'avènement des lasers à cascade quantique émettant au delà de 20 µm à des températures (quasi-) ambiantes va prochainement faciliter le développement d'applications dans ce domaine spectral.
Globalement, en dehors du diamant, il existe peu de matériau présentant une transmission élevée dans l'infrarouge long, hormis des verres dont la composition associe le tellure et le germanium. Dès lors les systèmes optiques utilisés dans cette gamme spectrale, sont contraints d'employer des optiques réflectives, ce qui complexifie la conception et augmente l'encombrement. L'amélioration de ces systèmes par l'utilisation d'optique en transmission passe par l'élaboration de nouveaux matériaux avec des propriétés physiques adaptées : transparence, sensibilité à l'environnement (eau, température, ...), ...
L'objectif de ce projet est de réaliser des verres transparents dans la fenêtre de transmission atmosphérique partielle située dans l'infrarouge long entre 24 et 30 µm, voire au-delà jusque 40 µm. Bien évidemment, le composant de base sera le tellure, connu pour permettre la synthèse de verre transparent au delà de 20 µm, auquel seront associés des atomes de masse élevée afin de diminuer les fréquences de vibration des liaisons inter-atomiques.  D'autre part, nos résultats préliminaires semblent indiquer que la dimensionalité de la structure atomique du verre est un critère important pour l'obtention d'une fenêtre de transmission à ces longueurs d'onde élevées. Cet aspect sera intégré lors de la définition de la composition des verres.
Les synthèses des échantillons seront réalisées suivant deux voies différentes : la première est la méthode de fusion/trempe en tube scellé et la seconde utilisera la mécano-synthèse associée à un pressage sous haute température ou un frittage flash. Cette nouvelle voie constitue un aspect innovant car la faible conductivité thermique de la silice et du verre de chalcogénure entraîne une diminution de la vitesse de trempe et donc favorise la formation d’un cristal en lieu et place d’un verre. Au contraire, le fait de travailler avec une poudre amorphe dispersée dans un moule ne présente pour seule limite que la dimension du moule. Cela devrait permettre d'étendre le domaine de vitrification pour atteindre d'autres  toechiométries.
La stratégie mise en oeuvre pour atteindre les objectifs de ce projet, se base sur de la compréhension de la structure du réseau vitreux pour améliorer les propriétés du verre.  Plusieurs techniques d'analyse seront employées : spectroscopies Raman et Mössbauer, spectroscopie terahertz, diffraction de rayons X durs, ou encore diffusion de neutrons.  Les résultats seront complétés et interprétés par des calculs théoriques de type DFT (``Density Functional Theory''), EPSR (``Empirical Potential Structure Refinement'') et RMC (``Reverse Monte Carlo'').
L'évaluation des propriétés macroscopiques de transmission, d'indice de réfraction, etc ... sera confrontée aux études structurales afin d'orienter la stoechiométrie et/ou la composition de nouvelles synthèses.