CHAPITRE 3 : Etude des deux verres 75GeS 2 -15Ga 2 S 3 -10CsCl et
3. Recherche d’une dispersion différente :
A partir des travaux d’Erwan Guillevic présentés précédemment, la modification d’un verre de sélénium (As2Se3) par une incorporation de soufre amènerait une dispersion plus faible en bande 8-12µm. Dans notre cas, nous avons d’abord donc étudié le système GeSe2 – Ga2Se3
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- CsI en ajoutant une faible proportion de soufre pour modifier la dispersion du verre et parallèlement élargir la fenêtre de transparence du verre dans le visible.
3.1. Incorporation du soufre dans le verre 72 GeSe
2– 18 Ga
2Se
3– 10 CsI
Partant de la composition étudiée par Mathieu Rozé : 72 GeSe2 – 18 Ga2Se3 – 10 CsI, une incorporation progressive de soufre va être faite pour étudier l’impact de cet ajout sur les propriétés optiques (Tableau 4.5).
Tableau 4.5 : Dispersion des verres séléniures avec ajout de soufre
Verre V1311
72 GeSe2 – 18 Ga2Se3 – 10 CsI 46 72 Ge(Se0,90S0,10)2 – 18 Ga2(Se0,90S0,10)3 – 10 CsI 49 72 Ge(Se0,70S0,30)2 – 18 Ga2(Se0,70S0,30)3 – 10 CsI 53 72 Ge(Se0,50S0,50)2 – 18 Ga2(Se0,50S0,50)3 – 10 CsI 56
Les indices de réfraction de ces verres ont été mesurés par la méthode m-line (voir détail chapitre 3 : partie 5.2.3) dans le domaine SWIR puis modélisés par la formule de Cauchy.
Concernant la variation de la dispersion du verre, on remarque que les verres vont être de moins en moins dispersifs avec l’ajout progressif de soufre en substitution du sélénium. Pour affecter cette dispersion de 10 points, une incorporation de 50% de soufre à la place du sélénium est nécessaire. Les transmissions de ces verres dans le visible ont aussi été mesurées et se révèlent insuffisantes pour les applications multi-spectrales visées. La Figure 4.3 à la page 108 montre clairement une absorption trop élevée dans le domaine visible. La mesure des indices dans le visible n’a donc pas été réalisée.
3.2. Modification du verre 75 GeS
2– 15 Ga
2S
3– 10 CsCl
Le manque de transparence dans le domaine visible de la série précédente nous oriente vers une étude inverse en commençant avec un verre à base de soufre et en y incorporant progressivement du sélénium (Tableau 4.6). Cet ajout de sélénium a été fait à partir de la composition précédemment sélectionnée dans le chapitre 3 pour sa stabilité contre la cristallisation : 75 GeS2 – 15 Ga2S3 – 10 CsCl. En plus de cette évolution de composition, le gallium a été aussi substitué par de l’indium, élément plus lourd, afin de modifier la dispersion.
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Tableau 4.6 : Dispersion des verres sulfures avec ajout de sélénium
Verre V1311 75 GeS2 – 15 In2S3 – 10 CsCl 69 75 GeS2 – 15 Ga2S3 – 10 CsCl 78 75 Ge(S0,95Se0,05)2 – 15 Ga2(S0,95Se0,05)3 – 10 CsCl 74 75 Ge(S0,90Se0,10)2 – 15 Ga2(S0,90Se0,10)3 – 10 CsCl 76 75 Ge(S0,80Se0,20)2 – 15 Ga2(S0,80Se0,20)3 – 10 CsCl 71
La série de 4 verres à base de soufre avec incorporation progressive de sélénium dévoile dans l’ensemble une décroissance du nombre d’Abbe lorsque le sélénium est incorporé. Avec ces ajouts, la variation des dispersions va varier de 7 points pour une incorporation de 20% de sélénium à la place du soufre. L’ajout de sélénium va rendre le verre plus dispersif dans cette bande, cette évolution semble être associée à un décalage du début de transmission des verres. Comme nous pouvons l’observer dans la Figure 4.3, les débuts de transmission de ces matériaux ne correspondent pas non plus aux exigences des applications multi-spectrales visées.
Par contre la substitution du gallium par de l’indium montre une variation de 9 points. De plus cette dernière composition 75 GeS2 – 15 In2S3 – 10 CsCl présente une fenêtre optique élargie, rendant ce verre transparent dans le visible.
3.3. Transparence des nouveaux verres :
Les deux séries de compositions de verre précédentes ont été caractérisées optiquement par des mesures du coefficient d’absorption linéaire α (qui permet notamment de renseigner sur le band-gap optique des matériaux).
La recherche d’un verre de dispersion différente doit respecter les spécifications en matière de transparence optique, en sachant que pour avoir un verre satisfaisant les applications potentielles, un coefficient « α » proche de 0 (plus précisément < 0,02 cm-1) est nécessaire à une longueur d’onde de 550nm. L’impact du changement de composition sur la transparence du matériau est donc mis en exergue par la variation du coefficient d’absorption en fonction de la longueur d’onde pour ces différents matériaux. La Figure 4.3 ci-dessous montre ces évolutions pour la série 1 : un verre de composition 75 GeS2 – 15 Ga2S3 – 10 CsCl avec une substitution progressive du soufre par du sélénium (en vert), la série 2 : pour un verre de composition 72 GeSe2 – 18 Ga2Se3 – 10 CsI avec une substitution progressive du sélénium par du soufre (en bleu) et le verre de composition 75 GeS2 – 15 In2S3 – 10 CsCl (en noir). Parmi tous ces verres, seules deux compositions ont un coefficient d’absorption proche de 0 jusqu’à la longueur d’onde 550nm (75 GeS2 – 15 Ga2S3 – 10 CsCl et 75 GeS2 – 15 In2S3 – 10 CsCl).
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La Figure 4.4 ci-dessous présente une photo de ces deux verres avec une couleur jaune pour le verre à base de gallium et orange pour le verre à base d’indium.
Figure 4.3 : Variation du coefficient d’absorption en fonction de la composition du matériau
La série 1 (en vert) dévoile une variation du band-gap assez marquée dès l’incorporation de 5% de sélénium en substitution du soufre. Ces verres vont alors posséder des transmissions insuffisantes dans le domaine visible. La deuxième série possédant des compositions encore plus riches en sélénium, leur coefficient d’absorption est encore plus élevé dans le visible.
Figure 4.4 : Pastille de 75 GeS2 - 15 Ga2S3 - 10 CsCl (à gauche, de couleur jaune) et 75 GeS2 - 15 In2S3 - 10 CsCl (à droite de couleur orange)
Ce sont donc les deux compositions 75 GeS2 – 15 Ga2S3 – 10 CsCl et 75 GeS2 – 15 In2S3
– 10 CsCl qui possèdent les propriétés les plus intéressantes avec des transmissions suffisantes pour une imagerie dans le visible tout en ayant des transparences étendues jusque 11,5µm dans
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l’infrarouge. De plus, les dispersions de ces deux verres dans la bande SWIR sont différentes (des valeurs de 69 et 78 pour les compositions à base d’indium et de gallium respectivement). Une étude plus poussée des propriétés optiques (mesure des dispersions dans les autres bandes) de cette nouvelle composition à base d’indium est nécessaire afin de vérifier s’il est possible d’obtenir des dispersions plus variées dans les différentes bandes (visible, SWIR, infrarouge 3-5µm et infrarouge 8-12µm).