Research and processing of new materials for mid infrared nonlinear laser applications

Recherche et élaboration de nouveaux matériaux pour les applications laser non-linéaires du moyen infrarouge

Vincent Tabouret (1)

1 DMAS, ONERA, Université Paris Saclay (COmUE) [Châtillon]

Mid-infrared laser sources have attracted a particular attention due to the transparency of the atmosphere in this spectral range allowing potential applications in different fields, such as chemical sensing or counter-measure for aircrafts safety. One way to produce tunable sources is the down conversion process in optical parametric oscillator using a crystal with nonlinear optical properties. After a state of the art presentation, a promising candidate was chosen: ZnGa2Se4. In order to improve growth crystal by Bridgman process, we have simulated the process with COMSOL to quantify the melt homogenization and improving the rotation parameters. Thermodynamic study was then performed with ab initio calculus to determine the concentration of selenium vacancies in crystals. Then polycrystals of ZnGa2Se4 were synthesized but monocrystals were not obtained from crystal growth, despite the improvement of the process coming from the Comsol simulation. Characterizations were still performed on this new material, which has a large transparency range (from 0.5 to 17 µm) and one of the best thermal conductivity (2.9 W.m-1.K-1) for crystals transparent this far in the IR.

Le moyen infrarouge (MIR) présente un fort intérêt technologique du fait de la présence de bandes de transparence de l’atmosphère dans ce domaine de longueur d’onde. En effet, elles permettent d’envisager de nombreuses applications à longue distance, telles que la détection de gaz ou le brouillage de missiles pour la défense d’aéronefs. Les sources paramétriques optiques font partie des technologies de choix pour ces applications et sont basées sur la conversion d’un signal laser à l’aide d’un cristal aux propriétés optiques non linéaires. Un état de l’art de ces cristaux a ainsi été effectué pour sélectionner un candidat innovant prometteur : ZnGa2Se4 (ZGSe). Afin d’améliorer le procédé de croissance cristalline par la méthode Bridgman, nous avons établi un modèle numérique sur COMSOL afin de quantifier l’homogénéisation du bain en fusion en optimisant les paramètres de rotation du creuset. Une analyse thermodynamique par calculs ab initio a, en outre, permis d’estimer la quantité de lacunes de sélénium (défaut absorbant). En parallèle, la synthèse chimique de ZGSe a permis d’obtenir des lingots polycristallins. A ce jour, les essais de croissance cristalline, compliquée du fait de la non congruence, n’ont pas permis d’obtenir des échantillons exploitables même si l’utilisation des résultats d’optimisation COMSOL semble encourageante. Néanmoins, la caractérisation des polycristaux a révélé une gamme de transparence large (de 0,5 à 17 µm) et une conductivité thermique parmi les plus élevées (2,9 W.m-1.K-1) quand on considère les composés transparents aussi loin dans l’IR.

Mots clés: ZnGa2Se4; Nonlinear optics; Bridgman simulations; Chemical synthesis; Crystal growth; Thermal conductivity

Mots clés: ZnGa2Se4; Optique non linéaire; Simulations Bridgman; Synthèse chimique; Cristallogenèse; Conductivité thermique

Domaines: Matériaux; Matériaux

Vincent Tabouret. Recherche et élaboration de nouveaux matériaux pour les applications laser non-linéaires du moyen infrarouge. Matériaux. Sorbonne Université, 2018. Français. ⟨NNT : 2018SORUS279⟩. ⟨tel-01132944v3⟩