A contribution to high temperature applications using femtosecond laser direct writing in silica-based glasses and optical fibers - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

A contribution to high temperature applications using femtosecond laser direct writing in silica-based glasses and optical fibers

Une contribution aux applications à haute température utilisant l'écriture directe par laser femtoseconde dans des verres et des fibres optiques à base de silice

Résumé

Harsh environmental sensing using optical fiber technologies is a rapidly growing field of research. A new generation of devices that operate in extreme environments (particularly those operating above 700°C and up to 1500°C), including environments with additional challenges such as radiation and intense optical fields (e.g., high power lasers), must be capable of withstanding gradual annealing and degradation, or aging, over time. Of particular relevance, these devices include live diagnostics with embedded optical sensor composites for aircraft, helicopters, and space infrastructure, temperature/pressure sensing in increasingly deeper and hotter oil bores, or again monitoring and mapping of temperature distribution in power plants, furnaces, and chemical reactors. The key enablers to meet these requirements are related to the intrinsic nature of the glass material that composes the devices, and more specifically its glass structure and associated properties such as viscous flow, chemical migration, and stress relaxation. Thermal stability of these devices may therefore be achieved by judicious application of glass preparation, glass annealing and glass laser irradiations.From a fundamental point of view, femtosecond laser direct writing allows to take profit of light forces that act on the plasma and its nanostructuring leading to the nucleation - growth of nanocavities or even nanocrystals depending on the chosen compositions. These structural modifications could be an ideal support to imprint various optical functions that could withstand high temperature operation.In this context, the objectives of this Ph.D. thesis is to figure out the relationship between different type of modifications induced by fs laser in glasses and fibers (particularly silica and aluminosilicate) that are fabricated by various methods, and make the link between chemistry of materials and femtosecond laser-induced transformations. We seek to analyze the effect of the glass chemical composition and the laser writing parameters on the thermal stability of the imprinted optical properties.On the one hand, we tentatively reveal the underlying mechanisms at the origin of the observed birefringence and their entanglement in bulk silicate glasses: oriented point defects, stress fields from several contributions, nanostructures and texturation, etc. On the other hand, non-conventional fiber fabrication methods such as the molten core technique or 3D printing preform are also investigated to tentatively improve the thermal stability of fs-laser imprinted modifications through the aspect of glass preparation. These discoveries pave the way towards a new generation of glass based laser written devices, both in bulk and fibers forms, for either high temperature operation, high laser power propagation or long lifetime applications like optical data storage, sensors for structural heath monitoring or optics in harsh environment.
La détection environnementale hostile à l'aide de technologies optiques est un domaine de recherche en croissance rapide. Une nouvelle génération d'appareils fonctionnant dans des environnements extrêmes (en particulier ceux fonctionnant au-dessus de 700 °C et jusqu'à1500 °C), y compris des environnements avec des défis supplémentaires tels que le rayonnement et les champs optiques intenses (par exemple, les lasers à haute puissance), doit être capable de résister au recuit et à la dégradation graduelle,ou au vieillissement, au fil du temps.Particulièrement pertinents, ces dispositifs incluent des diagnostics en direct avec des composites de capteurs optiques intégrés pour les avions, les hélicoptères et les infrastructures spatiales, la détection de température / pression dans des puits de pétrole de plus en plus profonds et chauds, ou encore la surveillance et la cartographie de la distribution de la température dans les centrales électriques, les fours et réacteurs chimiques.Les principaux facteurs permettant de répondre à ces exigences sont liés à la nature intrinsèque du matériau en verre qui compose les dispositifs,et plus précisément à sa structure de verre et aux propriétés associées telles que l'écoulement visqueux, la migration chimique et la relaxation des contraintes. La stabilité thermique de ces dispositifs peut donc être obtenue par l'application judicieuse de la préparation du verre, du recuit du verre et des irradiations laser du verre.D'un point de vue fondamental, l'écriture directe par laser femtoseconde permet de profiter des forces lumineuses qui agissent sur le plasma et sa nanostructuration conduisant à la nucléation croissance de nanocavités voire de nanocristaux selon les compositions choisies. Ces modifications structurelles pourraient être un support idéal pour imprimer diverses fonctions optiques pouvant supporter un fonctionnement à haute température.Dans ce contexte, les objectifs de cette thèse sont de comprendre les relations entre différents types de modifications induites parle laser fs dans les verres et les fibres (en particulier la silice et l'aluminosilicate) qui sont fabriqués par divers procédés, et de faire le lien entre la chimie des matériaux et transformations induites par laser fs. Nous cherchons à analyser l'effet de la composition chimique du verre et des paramètres d'écriture laser sur la stabilité thermique des propriétés optiques imprimées.D'une part, nous révélons provisoirement les mécanismes sous-jacents à l'origine de la biréfringence observée et de leur intrication dans des verres silicatés massifs : défauts ponctuels orientés, champs de contraintes issus de plusieurs contributions, nanostructures et texturations, etc. des méthodes de fabrication de fibres telles que la technique du coeur fondu ou la préforme d'impression 3D sont également étudiées pour améliorer provisoirement la stabilité thermique des modifications imprimées au laser fs à travers l'aspect de la préparation du verre.Ces découvertes ouvrent la voie à une nouvelle génération de dispositifs d'écriture laser à base de verre, à la fois sous forme de masse et de fibres, pour un fonctionnement à haute température, une propagation de puissance laser élevée ou des applications à longue durée de vie comme le stockage de données optiques, les capteurs pour la surveillance de la santé structurelle ou l'optique dans un environnement hostile.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03836247 , version 1 (02-11-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03836247 , version 1

Citer

Yitao Wang. A contribution to high temperature applications using femtosecond laser direct writing in silica-based glasses and optical fibers. Material chemistry. Université Paris-Saclay, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPASF038⟩. ⟨tel-03836247⟩
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