Projet ANR-14-CE07-0002 – FOCAL : Fibres Optiques Céramiques pour Applications Lasers
Programme : Produits (conception, procédés et matériaux) (DS0303) 2014
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Monsieur Mathieu ALLIX (Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute Température et Irradiation)
Partenaires : Laboratoire public; Laboratoire public; Laboratoire public
Montant : 430846.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 54 mois
Résumé : FOCAL est un projet de recherche fondamentale original visant à démontrer la faisabilité de nouvelles fibres optiques céramiques fonctionnelles. Il est basé sur l’association de trois éléments clés : des compositions de vitrocéramiques et céramiques transparentes (500nm-6µm) récemment brevetées par le CEMHTI, le procédé “powder-in-tube” développé à XLIM et l’expertise en caractérisations structurales et optiques du SPCTS. L’objectif est de développer des applications laser sur un large domaine spectral. Le domaine 700nm-1µm, difficilement abordable jusqu’à présent, constituera le cœur du projet, un doublage et/ou triplage de fréquence permettant alors un accès étendu vers l’ultraviolet et donc des applications potentielles multiples : médical, militaire, environnemental et nano-usinage. Ces fibres permettront, de par leurs propriétés thermiques, un seuil de dommage élevé ainsi qu’une meilleure tenue en puissance par rapport aux fibres de verre classiques.
Les lasers à fibres sont appelés à représenter 40% du marché des lasers d'ici quelques années contre 10% aujourd’hui. Ils permettent en effet: i) une réduction de la taille et du poids de la source laser par rapport aux systèmes "massifs", ii) la possibilité d’acheminer le faisceau et iii) une plus grande facilité d'utilisation grâce à de très bonnes dissipation de chaleur et immunité aux vibrations. Si les fibres de verre à base de silice sont aujourd'hui les plus utilisées, certaines de leurs caractéristiques (fortes pertes hors bande 600-2000nm et nombre limité de transitions radiatives disponibles) limitent fortement les applications des lasers associés. Les fibres céramisées sont une alternative intéressante pour les applications photoniques puisqu’elles présentent des fenêtres de transparence beaucoup plus étendues et promettent une exploitation efficace de nombreuses transitions radiatives. Leur développement est cependant jusqu’alors limité, principalement en raison de la difficulté à contrôler la cristallisation. 
La réalisation de fibres optiques vitrocéramiques et céramiques, l’objectif de FOCAL, serait une rupture scientifique et technologique considérable. Afin de lever ce verrou, un procédé de fibrage original est requis et la microstructure du cœur céramisé devra permettre une très haute transparence. Dans le cas des vitrocéramiques, le contrôle précis de la taille des nanocristaux et une faible différence d'indice de réfraction entre les phases cristallines et vitreuses constitueront les points majeurs pour limiter les pertes par diffusion. Dans ce même but, les céramiques obtenues par cristallisation complète et congruente du verre devront être isotropes optiquement (non biréfringentes) et présenter des joints de grains extrêmement fins.
Pour ce faire, nous proposons de fibrer certaines compositions mises au point par le CEMHTI (gallo-germanates, gallo-silicates et aluminates/aluminosilicates). Le dopage des cristaux par des terres rares (Tm3+, Pr3+, Sm3+) ou des métaux de transition (Cr3+, Ti3+) sera un paramètre essentiel pour atteindre une luminescence efficace en vue d’une démonstration laser dans des gammes jusqu’alors peu utilisées pour les lasers à fibre. Parmi les matériaux sélectionnés, les germanates et aluminates constituent des matrices à basse énergie de phonons qui permettront de bons rendements photoniques et d'étendre la gamme de longueur d'onde de fonctionnement vers le proche infrarouge (5-6µm). Cela constituera une véritable rupture technologique permettant de couvrir une gamme spectrale jusqu’alors très peu fournie en sources lasers. Le fibrage sera effectué à XLIM via un procédé original "powder-in-tube" adapté à nos compositions et les caractérisations structurales seront réalisées au SPCTS afin de contrôler au mieux les propriétés optiques. Des travaux préliminaires démontrant la faisabilité du projet ont été réalisés, notamment sur des vitrocéramiques nanostructurées de gallo-silicates et des céramiques Sr3Al2O6.