Verres pour l’Optique dans l’InfraRouge long

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Projet ANR-15-ASTR-0016

– Axe thématique 5 Photonique
– Axe thématique 6 Matériaux, Chimie et Energie

L’ANR VOIR « Verres pour l’Optique dans l’InfraRouge long » est un Projet de Recherche dans le cadre du programme ASTRID qui regroupe 2 partenaires : l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes, Equipe Verres et Céramiques (David Le Coq), et le LPCA (Eugene Bychkov).
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 obtenues 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 interatomiques. D’autre part, nos résultats préliminaires semblent indiquer que la dimensionnalité 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.

La stratégie mise en œuvre 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”).

 

Premiers résultats

Comparison of the transmission curves in the 0-40 μm window of the glass (GeTe₄)₉₀(AgI)₁₀: (i) a slice of a 1 mm-thickness from a glass rod just synthesized (red curve), (ii) an ingot of a 6 mm-thickness from a glass rod just synthesized (bottom photo – green curve), and (iii) the hot pressed slice of a 1.8 mm-thickness obtained from the same ingot (above photo – light green curve).

 

Snapshot of the 58.26 Å RMC simulation box with 7600 atoms (Hg, As, S)
corresponding to the (HgS)_0.4(As₂S₃)_0.6 glass chemical composition

 

Fraction of 4-fold coordinated mercury in HgS-As2S3 glasses as a function of mercury sulfide content.Chain-like mercury species remain predominant even for Hg-rich glasses.

Publications

Kassem, A. Sokolov, A. Cuisset, T. Usuki, S. Khaoulani, P. Masselin, D. Le Coq, J. C. Neuefeind, M. Feygenson, A. C. Hannon, C. J. Benmore, and E. Bychkov, Mercury sulfide dimorphism in thioarsenate glasses, J. Phys. Chem. B, 2016, Vol. 120, pp. 5278-5290, DOI: 10.1021/acs.jpcb.6b03382.

Le Coq, S. Cui, C. Boussard-Pledel, P. Masselin, E. Bychkov, B. Bureau, Telluride glasses with far-infrared transmission up to 35 μm, Opt. Mater., 2017, Vol. 72, pp. 809-812, http://dx.doi.org/10.1016/j.optmat.2017.07.038