Fibres optiques composées de nanotubes ou de nanoparticules pour application laser

Sujets de thèse 2014

Intitulé de la thèse
Fibres optiques composées de nanotubes ou de nanoparticules pour application laser
Publication du sujet sur le site de l’ABG : OUI
Nature du financement : non connu à ce jour
Domaine de compétences principal (pour l’ABG) : Physique
Domaine de compétences secondaire (pour l’ABG) : Sciences pour l’Ingénieur
Spécialité de doctorat : Electronique des hautes fréquences, Photonique et Systèmes

Lieu de travail
XLIM
123 avenue A. Thomas
LIMOGES
Date Limite de candidature : 30/05/2014
Laboratoire d’accueil : XLIM/PHOTONIQUE

Présentation de l’équipe de recherche
L’équipe de recherche d’accueil («Equipe photonique fibre») est l’une des équipes de recherche du Département Photonique de l’institut de recherche XLIM.Cette équipe est nationalement et internationalement reconnue pour son savoir-faire et son expertise dans la modélisation, la fabrication et la caractérisation de fibres optiques de nouvelle génération. L’équipe de recherche d’accueil est fortement impliquée dans le développement de fibres optiques à cristal photonique (fibres microstructurées air/silice notamment) et de fibres nanostructurées à base de matériaux originaux. Parmi les faits marquants, on peut citer la première réalisation de fibres composées de nanocristaux de zircone dopés par des ions ytterbium par la technologie sol-gel; une émission laser à 976 nm a été démontrée.

Résumé de la thèse en français
L’objectif est de développer des sources lasers, composées de fibres dopées par des nanotubes (BN) ou des nanoparticules semi-conductrices, à des longueurs d’ondes non accessibles du domaine UV pour des applications de détection de polluants atmosphériques et pour les domaines de la médecine. Pour cela, les fibres optiques devront être conçues et élaborées en combinant la technologie sol-gel et la méthode d’étirage des fibres. Des études microstructurales seront menées. Les propriétés de luminescence et le développement d’une cavité laser seront étudiés.

Résumé de la thèse en anglais
The objective is to develop laser sources composed of doped nanotubes (BN) or semiconductor nanoparticles, at new wavelengths of the visible/UV ranges for atmospheric pollutants detection and medicine applications. In this way, the optical fibers should be designed and elaborated by combining the sol-gel technology and the fiber drawing method. Microstructural studies will be conducted. The luminescence properties and the development of a laser cavity will be studied.

Description complète du sujet de thèse
Le développement de nouvelles sources lasers fibrées à des longueurs d’ondes non accessibles à l’heure actuelle dans les domaines de l’ultra-violet (UV) pour la détection et le contrôle de polluants atmosphériques essentiellement est l’objectif du sujet proposé.
Pour cela, les travaux de recherche vont s’orienter vers le développement de fibres optiques composées de matériaux essentiellement nanométriques dispersés dans une matrice amorphe en utilisant la synthèse sol-gel. Deux types de nano-objets seront étudiés:
-des nanoparticules semi-conductrices telles que l’oxyde d’étain pures ou dopées par des ions actifs,
-des nanotubes de type nitrure de bore essentiellement.
Depuis leur découverte dans les années 1990, il a été démontré que les nanotubes (NTs) constituent une classe exceptionnelle de matériau du fait de leur géométrie unidimensionnelle qui leur confère d’excellentes propriétés électroniques, chimiques, structurelles, optiques, mécaniques et thermiques. A l’heure actuelle, plusieurs classes de NTs sont élaborées dont les NTs de nitrure de bore (BN). Du point de vue optique, des études de luminescence voient le jour et montrent que, selon leur nature, la longueur d’onde d’émission va de l’UV pour les NTs de BN à l’infra-rouge (IR) pour les NTs de carbone monofeuillets..
Compte-tenu du fort potentiel des NTs, un des objectifs de la thèse est de développer de nouvelles sources lasers fibrées dont le cœur de la fibre est composé de NTs de BN dispersées dans une matrice silice élaborée par la technologie sol-gel afin de leur conférer une bonne tenue au flux. Le développement de fibres optiques composées de nanotubes sera étudié en privilégiant deux voies: fibres à cœur plein dopé ou fibres à cœur d’air entouré par des nanotubes. Les propriétés linéaires des fibres seront étudiées en termes de modes guidés, d’atténuation, de longueur d’onde de coupure et de dispersion. La connaissance, la compréhension et la mise en œuvre des propriétés de luminescence sont primordiales. Pour cela, l’approche expérimentale consistera à étudier les propriétés de luminescences des NTs par des mesures de spectroscopie optique directement dans les fibres, en fonction de différents paramètres expérimentaux tels que la concentration, la puissance de la longueur d’onde excitatrice… A terme, la durée de vie et la stabilité des NTs pourront alors être établies. Le développement d’une cavité laser à partir des fibres étudiées sera alors envisagé.
Parallèlement à ce travail, le développement de fibres optiques dont le cœur est composé de nanoparticules semi-conductrices va être mené en s’appuyant sur le savoir-faire acquis au laboratoire. Les nanoparticules semi-conductrices seules ou dopées par des ions terres rares présentent des propriétés de photoluminescence originales. En effet, si le rayon de la nanoparticule est comparable au rayon de Bohr de l’exciton, le rapport entre la surface et le volume augmente considérablement et donne lieu à des propriétés du matériau différentes de celles du massif. De plus, la largeur de la bande interdite varie entre le matériau pris à l’état nanométrique et à l’état massif. L’oxyde d’étain est un semi-conducteur présentant un grand intérêt du fait de sa large bande interdite directe et est donc un candidat à fort potentiel pour développer des sources lasers dans l’UV et les basses longueurs d’onde du visible. Pour ce faire, l’élaboration des fibres se fera par synthèse chimique sol-gel et sera accompagnée de caractérisations microstructurales. Le choix du matériau de gaine de la fibre sera étudié en fonction de la température maximale que peuvent supporter les nanoparticules, ce qui conditionnera les conditions d’étirage de la fibre optique. Les propriétés de luminescence sous excitation UV à 335 nm devront alors être mises en évidence.

Objectifs scientifiques de la thèse
-Etude et développement de fibres optiques ayant un cœur composé de nanotubes ou de nanoparticules; contrôle des paramètres de synthèse, de la dimension et de la concentration en nano-objets dans le cœur de la fibre;
-Etudes microstructurales des fibres élaborées;
-Etude de la luminescence des fibres optiques réalisées (durée de vie, …);
-Développement d’une cavité laser à partir des fibres élaborées.

Compétences à l’issue de la thèse
Le sujet proposé est pluridisciplinaire et requiert des connaissances dans les domaines des matériaux, de l’optique guidée fibrée et des lasers. Par conséquent, le candidat pourra faire valoir ses compétences dans ces différents domaines.

Mots clés (séparés par des virgules)
fibres optiques, lasers, nanoparticules/nanotubes
Conditions restrictive de candidature (nationalité, âge, …) : OUI

Expérience/profil souhaité(e)
Formation: Bac+5, école ou université
Spécificités souhaitées: L’étudiant doit être motivé par la recherche. Il doit posséder des connaissances dans au moins un des domaines suivants: chimie/physique des matériaux ou optique guidée fibrée ou lasers.

Modalité de dépôt des candidatures
CV à envoyer par mail au directeur de thèse

Directeur de thèse
Christine RESTOIN
Adresse mail du directeur de thèse : christine.restoin@xlim.fr
Téléphone Directeur de thèse : 05 55 45 73 53

Co-directeur de thèse
Jean-Marc BLONDY
Adresse mail du co-directeur de thèse : jean-marc.blondy@xlim.fr
Téléphone co-Directeur de thèse : 05 55 45 72 69
Cofinancement LABEX SigmaLIM demandé : OUI

Justification du cofinancement LABEX
Le sujet proposé est d’un aspect pluridisciplinaire: synthèse et caractérisations microstructurales de matériaux nanométriques au sein du cœur d’une fibre optique et développement d’une source laser à partir des fibres élaborées.
Il relève donc des thèmes composants et matériaux proposés dans le cadre du LABEX.

Avec quelle thématique du comité de pilotage avez vous pris contact :

  • Thème 1: Matériaux
  • Thème 2: Composants

Thèse pour Action transverse : NON

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