Propriétés optiques :

La transparence d'un verre à l'œil nu est vraisemblablement la caractéristique la plus remarquée dans la vie de tous les jours, je donnais une première définition de la couleur, en voici une autre proposée par Marie-Hélène Chopinet [36] : « Le verre contenant des éléments absorbants interposés entre une source lumineuse blanche et l'œil de l'observateur soustrait des parties du spectre visible et induit une perception de la couleur. Les facteurs produisant l'atténuation sont la réflexion aux interfaces verre-air, l'absorption dans le verre et la dispersion de la lumière dans le verre».

Figure (II.13) : Trois principales interactions du rayon lumineux avec le matériau.

l R'(λ)

I0 (λ) A (λ)

R(λ)

I (λ) α

Masse de verre à l'air

Masse de verre à l'eau

Il est connu que l'incorporation de terres rares, dans différentes matériaux hôtes, modifient de façon significative, les propriétés optiques du matériau d'origine. Ce qui permet de produire du matériel optique avec d'autres propriétés supplémentaires [37,38]. Il existe trois types principaux d'interaction du rayon lumineux avec le matériau : la transmission (T), la réflexion (R) et l'absorption (A) (figure (II.13)).

III.2.4.1. Spectroscopie UV-Visible d'absorption :

L'absorption optique repose sur l'interaction des radiations lumineuses avec la matière dans le domaine spectral de l'UV-visible et proche infrarouge [39]. Pour un verre dopé et codope, l'étude de l'absorption optique met en évidence les transitions électroniques d'absorption dans le domaine de transparence du matériau. Cependant, l'absorbance de la matière dans le proche UV et le visible est exploitée de manière intensive en analyse quantitative, par application de la loi de Béer- Lambert [40,41]. L'exploitation de ces courbes nous permet de déterminer certaines propriétés optiques du verre analysé : le seuil d'absorption optique, le coefficient d'absorption, la largeur de la queue de bande de valence et l'indice de réfraction [39].

Dispositif expérimental :

Les mesures de la densité optique des verres sont été effectuées au moyen sont enregistrés en utilisant un spectromètre Agilent Cary 5000 UV-Vis-NIR. Cet appareil est piloté par un ordinateur utilisant un logiciel UV Winlab, permet d'étudier l'absorption sur un large domaine spectral s'étendant de 175 nm (ultraviolet) jusqu'à 3300 nm (proche infrarouge) avec un diametre de port de faisceau de 7mm et un angle d'incidence approximativement 5^o. L'échantillon se présente sous forme d'un verre poli, d'épaisseur de quelques millimètres.

verre

Figure (II.14) : Principe de fonctionnement dispositif Spectromètre Agilent Cary 5000 UV-Vis-NIR.

III.2.4.2. Spectre de transmission :

La transmission infrarouge est généralement limitée par la coupure multi-phonon, qui est du principalement aux vibrations fondamentales des liaisons chimiques ou à des harmoniques de vibrations. La longueur d'onde d'absorption λ de ces énergies s’exprime par la relation suivante :

k c µ p

l =2 (II.8)

Avec : c : La vitesse de la lumière dans le vide.

μ: La masse réduite des vibrateurs ou des groupements atomiques concernés.

K : La constante de force des liaisons interatomiques.

La transmission [24,42-43] dans le moyen infrarouge est l'une des propriétés qui nous intéressent. En effet, elle caractérise les différentes familles de verres et leur transparence dans l'infrarouge, qui sera plus étendue pour les verres de chalcogénures (jusqu'à 25 μm) et dans une moindre mesure pour les fluorures [44,45] (jusqu'à 7-9 μm), en comparaison à celle des verres d'oxydes conventionnel (jusqu'à 2-4 μm), mais des verres à base d'oxydes de métaux lourds pouvant présenter une large transparence dans l'infrarouge (jusqu'à 6-7 μm) et de hauts indices de réfraction (jusqu'à 2.0) du fait de la masse atomique et de la polarisabilité élevées des cations métalliques le constituant. La figure (II.15) présente un schéma des transmissions infrarouge des différentes familles citées.

Figure (II.15) : Courbes de transmission infrarouge simplifiées des matériaux silice, verres fluores et verres de chalcogénures [46].

Dispositif expérimental :

Le spectre de transmission des verres sont été effectuées au moyen sont enregistrés en utilisant un spectromètre Perkin-Elmer Spectrum Two. Cet appareil est piloté par un ordinateur utilisant un logiciel UV Winlab, permet d'étudier l'absorption sur un large domaine spectral s'étendant de 400 cm^-1 jusqu'à 8000 cm^-1 (infrarouge).

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 0

10 20 30 40 50 60 70 80

OH CO₂

Si

Transmission (%)

Wavenumber (cm^-1)

Figure (II.16) : Principe de fonctionnement dispositif Spectromètre Perkin Elmer Spectrum Two.

III.2.4.3. Spectrofluorométrie :

La spectroscopie de fluorescence est un type de spectroscopie électromagnétique qui analyse la fluorescence d'un échantillon. Elle implique l'utilisation d'un rayon de lumière qui va exciter les électrons des molécules de certains composés et les fait émettre de la lumière.

III.2.4.3.1. Luminescence :

La luminescence [47,50], constitue « l'émission de lumière, ultraviolette, visible, ou infrarouge, par certaines substances sous l'effet de diverses excitations ». Ces substances peuvent être des solides, des liquides, ou des gaz. Les avantages de l'analyse PL réside dans la simplicité de mesure optique et le pouvoir d'informer sur les propriétés électroniques du matériau [51].

Le principe : Considérons un schéma de principe à trois niveaux 0, 1 et 2 (voir figure (II.17)). Un faisceau de lumière intense, accordé avec la transition 0 → 2, excite le système.

Des électrons sont alors promus sur le niveau 2. Ces électrons relaxent jusqu'au niveau 1.

Enfin, ces électrons retournent vers le niveau 0 en émettant un photon d'énergie égale à la différence d'énergie entre les niveaux 1 et 0. On observe alors une émission de lumière, appelée photoluminescence, à une énergie plus basse que l'énergie de l'onde excitatrice. Il est possible que les électrons retournent directement du niveau 2 vers le niveau 0 en émettant des photons d'énergie égale à celle de la transition 0 → 2 [52].

Verre

Figure (II.17) : Schéma du principe de phénomène de la photoluminescence.

Dispositif expérimental :

Les spectres d'émission, d'excitation et durée de vie ont été enregistrés sur un spectrofluorimètre de type FluoroMax®-4 (figure (II.18)) piloté au moyen du programme origin®. La source d'excitation est une lampe au xénon de 450 W qui permet des excitations en continu de 200 nm à 1150 nm. Pour plus d'informations, voir la référence suivante [53].

Figure (II.18) : Schéma du spectroflurimetre utilise pour l'enregistrement des spectres d'excitation, d'émission et durée de vie.