Les fibres microstructurées pour la détection du CO 2

3.1. Protocole expérimental

Toutes les fibres microstructurées ont été testées suivant le même protocole expérimental. On utilise, comme précédemment, le spectrophotomètre de type Bruker pour faire l’acquisition des spectres de transmittance. La fibre est donc connectée au spectrophotomètre pour enregistrer le spectre de référence avant que l’on y injecte le dioxyde de carbone pur. Un nouveau spectre est alors enregistré pour mesurer la réponse du système à la présence de CO₂.

Eventuellement, une purge d’argon est ensuite réalisée pour contrôler la réversibilité du système.

3.2. Essai préliminaire avec un capillaire

3.2.1. Présentation

Avant d’entreprendre la réalisation d’une fibre microstructurée, un essai préliminaire a été effectué en utilisant un unique capillaire en verre GeSe4. Le capillaire de 450µm de diamètre est obtenu lors de l’étirage d’un tube de verre, lui-même obtenu lors de l’étape de rotational casting. Une image (Figure 7) prise au microscope optique montre la géométrie de ce capillaire (diamètre de 450µm pour un trou de 200µm environ).

CHAPITRE 4 DETECTION DU CO₂ PAR SPECTROSCOPIE INFRAROUGE

Figure 7 : Image prise au microscope optique du capillaire GeSe4 (diamètre 450µm)

Le spectre alors obtenu est présenté en figure 8. Son intensité est faible (de l’ordre de 1%) mais ce spectre montre qu’il est possible de détecter le dioxyde de carbone avec un tel capillaire. Des essais plus poussés avec des fibres microstructurées peuvent être à présent effectués.

Figure 8 : Spectre de transmittance avec un capillaire GeSe₄ pour 100% de CO₂

3.3. Détection du CO2 avec des fibres microstructurées

Comme présenté dans le chapitre précédent, les fibres microstructurées sont obtenues par la technique « Stack and Draw ». Plusieurs fibres avec des compositions chimiques et des arrangements de trous différents ont ainsi été réalisées au sein de l’équipe Verres et Céramiques. Une fibre microstructurée en verre As₄₀Se₆₀ et deux fibres microstructurées GeSe₄ ont ainsi pu être testées pour la détection de CO₂.

CHAPITRE 4 DETECTION DU CO₂ PAR SPECTROSCOPIE INFRAROUGE

3.3.1. Fibre microstructurée en verre As40Se60

Cette fibre possède 36 trous arrangés périodiquement comme le montre l’image prise au microscope optique (Figure 9).

Figure 9 : Image prise au microscope optique de la fibre microstructurée As-Se

Le spectre obtenu montre une augmentation de l’intensité du signal par rapport à celui enregistré pour le capillaire, puisque celle-ci atteint 12% du signal transmis. Cela montre qu’il y a aussi un gain pour la détection du CO₂ par la technique FEWS, décrite précédemment.

Figure 10 : Spectre de transmittance avec une fibre microstructurée As40Se60 pour 100% de CO2

Malheureusement, comme lors de l’utilisation de fibre classique monoindice pour la détection du CO₂ par la technique du FEWS, on constate que la réversibilité n’est que partielle lorsque l’on purge la microstructure avec un flux d’argon.

Nous avons finalement essayé de modifier la composition chimique du verre ainsi que le design de la microstructure pour améliorer la réponse du capteur.

CHAPITRE 4 DETECTION DU CO₂ PAR SPECTROSCOPIE INFRAROUGE

3.3.2. Fibre microstructurée en verre GeSe4

Pour ce verre, deux fibres avec des diamètres différents (250 et 320µm) et deux arrangements de trous différents ont été obtenus lors du fibrage de la même préforme GeSe₄. Ils différent essentiellement par des trous de tailles différentes (10 µm pour les plus petits et 30 µm environ pour la seconde microstructure) comme le montre les images MEB des figures 11 et 12.

Figure 11 : Images MEB du premier design (250 µm de diamètre et trous de 10 µm environ) de la fibre microstructurée GeSe4

Cette différence de taille de trous s’explique par des différences de pression appliquée dans les capillaires lors du fibrage. Typiquement, le premier design correspond à une pression de l’ordre de 15 mbar, tandis que le second correspond à environ 30 mbar de pression.

Figure 12 : Images MEB du second design (320 µm de diamètre et trous de 30 µm environ) de la fibre microstructurée GeSe4

Des essais de détection du CO2 ont donc été entrepris sur ces deux fibres suivant le protocole expliqué précédemment.

CHAPITRE 4 DETECTION DU CO₂ PAR SPECTROSCOPIE INFRAROUGE

Figure 13 : Spectres de transmittance en fonction des deux configurations de fibre pour 100% de CO2

On montre ainsi aisément que la microstructure possédant des trous plus gros (configuration de microstructure n°2) offre un pic CO₂ relativement intense de l’ordre de 30% du signal transmis, soit plus de deux fois supérieur à celui obtenu avec la fibre microstructurée en verre As-Se.

Malheureusement, un pic de CO₂ résiduel est encore observé après une purge de la microstructure avec un balayage prolongé d’argon. La réversibilité n’est donc que partielle.

3.3.3. Guidage de l’énergie dans les deux fibres microstructurées GeSe4

Afin de visualiser le guidage de l’énergie aux longueurs d’onde proches de celle du dioxyde de carbone, des images en champ proche en sortie de fibre ont été réalisées à 3,39 µm pour les deux configurations de microstructure de la fibre GeSe₄. (Figure 14)

Pour cela, on utilise un laser à gaz He-Ne, un objectif en germanium ainsi qu’une caméra infrarouge FLIR fonctionnant dans la gamme 3-5 µm.

Figure 14 : Image en champ proche du guidage à 3,39 µm pour la fibre GeSe4 microstructurée : a) 1ère

CHAPITRE 4 DETECTION DU CO₂ PAR SPECTROSCOPIE INFRAROUGE

On remarque que pour la 1ère configuration, la lumière est principalement confinée dans le cœur de la microstructure même si une faible partie parvient le long de la microstructure, ce qui conjugué à la taille réduite des trous, ne permet pas une forte interaction gaz/lumière dans cette fibre.

En revanche, la deuxième capture en champ proche permet de constater que la lumière est plus diffusée dans la microstructure, avec l’apparition de multiples cœurs permettant, semble-t-il, la création de champs évanescents plus nombreux et/ou plus intense. Associée à une taille de trou plus importante, cela explique la sensibilité plus importante pour le dioxyde de carbone dans le cas de cette deuxième microstructure. Nous avons donc montré que le design de la microstructure était l’élément essentiel pour une meilleure sensibilité lors des essais de détection du dioxyde de carbone. Pour affiner ce travail, des modélisations de microstructure, en collaboration avec Gilles Renversez de l’institut Fresnel de Marseille, vont donc être réalisées pour déterminer la géométrie idéale de la microstructure pour une détection du CO₂ à 4,3 µm.