Chalcogenide glass optical fibers for the mid-infrared : towards new sources and solutions for infrared spectroscopy

Les travaux de cette thèse étaient consacrés à l’élaboration de fibres optiques en verres de chalcogénures présentant un intérêt pour le domaine de la spectroscopie infrarouge. Dans un premier temps, des fibres à saut d’indice composées de verre ([GeS2]0,80 [Ga2S3]0,20)0,90 (CsCl)0,10 pour la gaine et de verre ([GeS2]0,80 [Ga2S3]0,20)0,90 (CdI2)0,10 pour le cœur ont été développées dans le but de réaliser à plus long terme un laser à fibre pour des longueurs d’onde du moyen infrarouge (entre 3 et 8 µm). Le choix de ces verres s’est appuyé sur une étude des propriétés thermiques, puis une étude de leurs propriétés optiques (linéaires et non linéaires). Les préformes destinées à être fibrées ont ensuite été élaborées par la méthode du rod-in-tube. De plus, ces verres présentent la particularité d’être photosensible ce qui permettrait la photoinscription par un laser femtoseconde de miroirs de Bragg nécessaire à l’obtention d’une cavité laser. Le verre de cœur a ensuite pu être dopé par des ions Pr3+ et une émission dans une fibre cœur/gaine a pu être observée permettant d’envisager positivement l’émission au sein d’une future cavité laser. Dans un second temps, les travaux de cette thèse se sont focalisés sur la réalisation de fibres optiques microstructurées à cœur creux. La réalisation de ce type de fibre, notamment à base de verres de chalcogénures tel que le verre de composition Te20As30Se50, pourrait permettre d’atteindre de très faibles pertes optiques jusqu’à la longueur d’onde de 20 µm, ainsi que le transport de faisceau de laser de puissance. Pour produire les préformes à cœur creux destinées à être fibrées, deux méthodes ont été utilisées : la méthode classique du stack and draw et la méthode originale de l’impression 3D de verres de chalcogénures. Cette dernière méthode a d’ailleurs été développée au cours de cette thèse et a montré son fort potentiel pour l’élaboration d’objets imprimés qui pourraient prétendre à des applications optiques comme des capteurs infrarouges par exemple.This PhD work was devoted to the development of chalcogenide glass optical fibers for infrared spectroscopy. First, step index fibers composed of a cladding glass ([GeS2]0.80 [Ga2S3]0.20)0.90 (CsCl)0.10 and a core glass ([GeS2]0.80 [Ga2S3]0.20)0.90 (CdI2)0.10 have been developed. The choice of the two glasses has been down through the measurements of their thermal and optical properties among numerous other glass compositions. The development of such optical fibers in this photosensitive glass system was strongly motivated by the future realisation of a fibre laser emitting in the 3-5 µm mid infrared region. In addition, they would allow the femtosecond laser inscription of Bragg mirrors, which are necessary to obtain a laser cavity. In this context, the core glass has been doped with Pr3+ ions and spontaneous emission has been observed around 4 µm in a step- index fiber. Secondly, this work was focused on the elaboration of hollow core microstructured optical fibers made with chalcogenide glasses. With this type of structure, it is possible to consider transmission fiber up to 20 µm while having a very low attenuation eventually below 50 dB/km. In addition, holding the power flow of such fibers would be greatly improved compared to that of the solid core fibers . To produce hollow core preforms, two methods were used: the classic stack and draw method and an innovative method adapted to chalcogenide glass 3D printing. The 3D printing method was particularly developed during this thesis and has shown its strong potential for the development of printed objects that could result in many optical applications such as infrared sensors for example