Bruno Capoen
Axes de recherche
Préformes de fibres optiques par voie sol-gel
C’est une thématique qui a vraiment débuté en 2005 avec le projet RMNT « Nanoscop » dont j’étais coordinateur pour Lille 1. Depuis, de grands progrès ont été réalisés dans la synthèse de silice par la voie sol-gel « polymérique », conférant à l’équipe Photonique du laboratoire PhLAM/IRCICA une primauté dans l’utilisation de cette silice pour la production de fibres optiques. Cette spécialité de mon équipe nous a valu une reconnaissance internationale et a conduit au dépôt d’un brevet européen. Le thème a été poursuivi par des essais de dopage divers (ions actifs Cu, Bi, Yb, Ce, nanoparticules, oxydes), donnant lieu à des applications variées (dosimétrie, décoration, confinement de molécules), mais aussi à des études fondamentales par spectroscopie Raman sur l’influence des dopants sur leur matrice. Les xérogels et verres de silice produits par les méthodes de synthèse issues de cette thématique alimentent la plupart des projets suivants et ont donné lieu à plusieurs collaborations.
Guides en matrices composites pour l’amplification et les lasers
Ce sujet vise à comprendre l’interaction de terres rares (TR) avec des phases d’oxyde vitreuses et/ou cristallisées (à l’échelle nanométrique) au sein d’un matrice de silice afin d’en augmenter l’émission lumineuse.
Préformes et fibres dopées par des nanocristaux Al2O3, PO4 ou AlPO4 et des ions luminescents
Le co-dopage se fait ici par imprégnation de préformes poreuses préparées par MCVD ou par sol-gel, suivie d’une densification. Des fibres microstructurées sont ensuite tirées à partir de ces barreaux. Cette stratégie a permis de produire des fibres lasers avec une efficacité de 73%. Par ailleurs, cette nanostructuration est de nature à diminuer sensiblement la quantité d’alumine nécessaire à une dispersion correcte des ions de TR, ce qui autorise une utilisation des fibres en milieu radiatif sévère. De telles fibres dopées Er3+ révèlent aussi une efficacité d’amplification accrue par comparaison avec des EDFA standards. Plus récemment, des préformes de fibres dopées par du phosphore et de l’ytterbium, obtenues par pressage de poudres sol-gel, ont montré une aptitude particulière à former des nano-bâtonnets cristallins de YbPO4 orientés dans la direction du tirage, ce qui pourrait générer des anisotropies optiques intéressantes. Par le même procédé de pressage, des préformes très homogènes en dopant bismuth ont pu donner naissance, après étirage, à des tiges vitreuses, puis à des fibres dopées Bi dont les propriétés de photoluminescence, très stables autour de la longueur d’onde 1,2 μm, ont pu être associées aux centres émetteur du phosphore.
Verres et fibres dopées pour la dosimétrie de rayonnements ionisants
Cette thématique est partie des premières mesures de photoluminescence que nous avons obtenues sur des préformes et des fibres dopées au cuivre. C’est l’ion Cu+, présent au cœur de la fibre en forte proportion et dont le rendement de luminescence s’avère très important, qui confère au matériau ses potentialités pour la scintillation et la dosimétrie de rayonnements ionisants par luminescence optiquement stimulée (OSL). Nous avons commencé l’étude de ce matériau sous rayons X en collaboration avec le Centre de radiothérapie Oscar Lambret de Lille, puis avec le CEA DAM et le laboratoire Hubert Curien de St Etienne. Les premiers résultats de radioluminescence, d’OSL avec les matrices dopées Cu+ et Ce3+ sont impressionnants en termes de gammes de doses et de débits de dose, les matériaux résistant à plusieurs kGy, ce qui intéresse l’industrie nucléaire et spatiale.
Mais nous avons montré aussi que d’autres espèces, telles l’ion Gd3+, présentent de réels potentialités pour une dosimétrie universelle associées à différents types de rayonnements et d’énergie (X, protons) et dans des gammes étendues de débits de dose (5 décades). Parallèlement, la scintillation de ces verres dopés Ce, Cu ou Gd sous flux de protons a été démontrée sur l’accélérateur TRIUMF à Vancouver (Canada), ce qui ouvre de nouvelles opportunités pour le suivi des faisceaux en protonthérapie.
Le projet SURFIN
Impliquant 4 partenaires nationaux, le projet intitulé SURFIN (nouveaux matériaux pour la SURveillance par Fibre optique des Installations Nucléaires), a été labellisé par l’Agence Nationale pour la gestion des Déchets Radioactifs (ANDRA) en décembre 2016. Financé sur 4 ans depuis octobre 2017, ce sujet très interdisciplinaire ambitionne de mesurer par fibre optique les doses de rayonnements X ou γ au sein des structures de réacteurs nucléaires ou sur des sites de stockage des déchets radioactifs. Il s’agit donc de développer des matériaux vitreux à base de silice dopée par des ions luminescents (par exemple Cu+ et Ce3+), d’étudier par différentes techniques spectroscopiques leur comportement sous rayonnement ionisant à forte dose (notamment les défauts structuraux engendrés aux doses de l’ordre du MGy), de valider leur réponse dosimétrique, puis d’insérer ces matériaux au cœur de fibres optiques pour en faire des capteurs éventuellement distribués le long de la fibre. Nos derniers résultats désignent notamment la silice dopée Cu comme candidat de choix pour mesurer les faibles doses et les faibles débits de doses, ce qui intéresse particulièrement l’ANDRA pour la surveillance des sites de stockage.
