3.2 La technique d’illumination latérale
3.2.1 Description du cristal de niobate de strontium baryum (SBN) 56
Le niobate de strontium baryum, de formule chimique SrxBa1-xNb2O6, est souvent abrégé dans la littérature par SBN:x% où x désigne la fraction de strontium pré-sente dans le composé. C’est un matériau très utilisé pour la recherche. Ainsi, dû à ses nombreuses propriétés électro-optiques, piézoélectriques, pyroélectriques ou photoréfractives [133,134], il est utile pour la modulation électro-optique [135], le
3.2. La technique d’illumination latérale 57
mélange à deux ondes et la conjugaison de phase [136], la génération de second harmonique [137] ou les systèmes de stockage holographique [95]. Il est également utilisé pour la génération de solitons photoréfractifs [138,139].
3.2.1.1 Méthodes de croissance
Différentes méthodes de croissance permettent l’obtention de cristaux de SBN, parmi lesquelles on peut citer la technique Bridgman [141], Czochralski [140] ou Stepanov [142,143]. Néanmoins les méthodes Czochralski et Stepanov sont les plus répandues. Dans le cas de la technique Czochralski, la croissance s’effectue à partir d’un mélange de poudres de BaCO3, SrCO3, et de Nb2O5 dans un creuset en platine porté à température. Puis, un embryon de cristal de SBN possédant la même fraction x que le mélange de poudres, est trempé à son extrémité dans le mélange puis retiré tout doucement avec un mouvement de rotation. En se refroidissant, le mélange suit ainsi l’organisation cristalline de l’embryon de départ. Le cristal ainsi formé croît selon l’axe~cde façon cylindrique. Les vitesses de tirage couramment utilisées avec ce type de technique sont de l’ordre de 0.4-0.8 mm/h. La technique Stepanov dérive de la méthode Czochralski. Elle se différencie de cette dernière par l’ajout d’une filière dans la bain fondu du mélange. La filière possède un ou plusieurs éléments capillaires qui ont pour but de faire remonter le liquide à son sommet. Après contact d’un germe monocristallin avec la phase liquide présente au sommet de la filière, il s’établit un ménisque liquide qui met en jeu les conditions de mouillage et de tension superficielle du couple matériau de filière / germe monocristallin. La forme du sommet de la filière est ainsi imposée au liquide qui se refroidit lors du déplacement du germe dans le gradient thermique.
Afin d’augmenter les propriétés photoréfractives du SBN, des dopants peuvent être ajoutés au mélange de départ comme par exemple du chrome (Cr) , ou des terres
Figure 3.2 – (a) Schéma de principe de la méthode Czochralski [140], et (b) exemples de cristaux de SBN (source : Altechna CO. Ltd.).
58 Chapitre 3. Technique d’inscription de structures photo-induites
Figure 3.3 – Structure d’une maille cristalline de type bronze de tungstène qua-dratique selon l’axe~c auquel appartient le SBN. [146]
rares [144], comme du Cérium (Ce), ce qui a pour effet d’augmenter de 4 ordres sa sensibilité photoréfractive [145]. La Figure 3.2présente un schéma de principe de la méthode Czochralski ainsi que différents cristaux de SBN obtenus par cette méthode de croissance.
3.2.1.2 Structure cristalline
A température ambiante, le SBN est un matériau ferroélectrique, de symétrie4mm. Il possède deux indices différents : un indice ordinaire (no) et un indice extraordinaire (ne). Sa biréfringence (∆n=ne−no) est négative. Lorsque la fraction x est telle que
0.32≤x≤0.82, le SBN cristallise selon la forme bronze de Tungstène quadratique (TTB) [140]. Une projection de la maille cristalline selon l’axe ~c est donnée sur la Figure3.3. Les sitesA1 sont occupés uniquement par les atomes de Strontium alors que les sitesA2peuvent être occupés par les atomes de Strontium ou de Baryum. La structure est construite autour d’octaèdres (en vert sur la Figure3.3) correspondant aux Nb2O6. Les cristaux de SBN utilisés pour des applications en optique ont en général une fraction de strontium égale à 0.61 ou 0.75.
De part la symétrie4mm, le SBN possède un tenseur électro-optique à contrainte nulle égal à : r = 0 0 r13 0 0 r13 0 0 r33 0 r51 0 r51 0 0 0 0 0 (3.1)
3.2. La technique d’illumination latérale 59 Table3.1 – Paramètres physiques du SBN:61.
Références Constante diélectrique ε33= 800 [144] Coefficients électro-optiques r33= 235pm/V [147] (mesurés à 514 nm) r13= 47pm/V
Coefficient piézoélectrique d13 24,6 pm/V [147] Température de transition de phase Tc 81˚C [148] Indices de réfraction ne = 2.2953 [149] (mesurés à 633 nm) no = 2.3116
Le coefficient électro-optique le plus élevé estr33, il est environ cinq fois supérieur à r13. Ainsi, pour la réalisation expérimentales des structures photo-induite, c’est le coefficient r33 qui a été utilisé. De même, les coefficients du SBN:75 sont plus élevés que ceux du SBN:61. La raison principale est la différence des températures de transition de la phase ferroélectrique à la phase paraélectrique entre les deux compositions (83˚C pour le SBN:61 et 48˚C pour le SBN:75). Cependant, en raison de la complexité de réalisation sur de grandes longueurs de SBN:75, nous avons travaillé avec du SBN:61. Le tableau 3.1 résume quelques unes de ses propriétés physiques.
3.2.1.3 Cristaux utilisés
Pour nos réalisations expérimentales nous avons utilisés deux cristaux de SBN de fractions x très proches, de tailles différentes et dopés au cérium. Leurs paramètres sont résumés dans le tableau 3.2. Pour plus de simplicité le cristal le plus long sera appelé SBN long et le cristal court, SBN court. Une photographie de chaque cristal sur leur porte échantillon est rapportée sur la Figure 3.4.
L’échantillon SBN court est pourvu d’électrodes semi-transparentes de 17 nm d’épaisseur, composées d’une couche de chrome de 3 nm d’épaisseur et d’une couche d’or de 14 nm. Due à sa meilleure adhérence, la couche de chrome joue le rôle d’interface pour la couche d’or. Ces électrodes permettent ainsi de créer des guides d’onde avec un confinement dans les deux dimensions [132].
L’échantillon SBN long est quant à lui pourvu d’électrodes en graphite permet-tant uniquement la réalisation de structures confinées dans une seule dimension. Néanmoins, il permet une longueur de propagation plus importante ce qui est un atout dans l’étude des phénomènes de couplage.
De part leurs fractions de strontium/baryum ainsi que leur taux de dopage,
Table3.2 – Paramètres des cristaux de SBN utilisés dans les expériences. Composition Dopage Dimensions Électrodes Dénomination
a x b x c [mm3] ⊥c
SBN:60 Ce : 0,002 mol % 10 x 5 x 5 Au + Cr SBN court SBN:61 Ce : 0,002 mol% 5 x 23 x 5 Graphite SBN long
60 Chapitre 3. Technique d’inscription de structures photo-induites
Figure 3.4 – Photographies des cristaux de SBN (a) long et (b) court sur leurs porte-échantillons.
ces deux cristaux engendrent des dynamiques de formation assez lentes (quelques secondes). Ainsi, si de tels cristaux sont à proscrire pour des applications nécessitant un temps de réponse rapide, ils sont en revanche très intéressants pour comprendre les mécanismes ainsi que la dynamique de formation des structures, qu’il est alors possible de suivre facilement en temps réel.