Guides d'Ondes et Résonateurs en Verres Non Silice pour la Photonique Infrarouge Appliquée à la Détection. H/F CNRS

Détail du poste

Le laboratoire ICB propose une bourse de doctorat (CNRS) sur les guides d'ondes optiques non linéaires et résonateurs à base de verres tellurites et de chalcogénures pour la détection d'espèces chimiques dans l'infrarouge moyen. Le Moyen InfraRouge (MIR), de 2 à 20 µm, est une gamme spectrale d'intérêt pour de nombreuses applications, notamment dans le domaine des capteurs, car elle correspond aux résonances des liaisons chimiques. Les polluants atmosphériques, les substances explosives et les liquides biologiques, entre autres, peuvent être ciblés.

L'ICB possède une forte expertise dans l'élaboration des fibres MIR à base d'oxydes lourds et de verres chalcogénures, qui présentent une large fenêtre transmission dans cette gamme et de fortes propriétés optiques non linéaires. Des sources laser fonctionnant dans le MIR basées sur l'optique non linéaire dans des fibres de chalcogénures (verres à base de S, Se et Te) et de tellurite (TeO2) ont été développées à l'ICB. La génération de supercontinuum dans de telles fibres a conduit à une source IR couvrant la plage de 1 à 16 µm et délivrant plus de 100 mW [1]. Des expériences de preuve de concept ont démontré le potentiel de ces sources IR fibrées pour la détection de CH4 à 8 µm à un niveau de concentration de l'ordre du ppm [2]. L'objectif du projet est maintenant d'étendre les potentialités des verres chalcogénures et tellurites via leur mise en forme en composants photoniques fonctionnalisés tels que des fibres optiques effilées (tapers) ou des micro-résonateurs. Dans ce contexte, un projet international financé par l'ANR (France) et la FAPESP (Brésil) a été obtenu en collaboration avec l'Institut de chimie de Sao Carlos (IQSC) de l'Université de Sao Paulo pour développer des capteurs fibrés opérant dans le MIR. La thèse s'appuie sur les savoir-faire et les résultats de l'équipe pour développer des capteurs optiques fibrés, opérant dans le MIR, à double fonction : à la fois source de lumière IR (via la génération de supercontinuum) et de composant actif dans le mécanisme de détection. Les stratégies envisagées concernent la géométrie des fibres et leur ingénierie de surface.

Les fibres optiques dont le diamètre est localement réduit, appelées tapers, exacerbent le confinement du champ électromagnétique et facilitent ainsi, par effet optiques non-linéaires, la génération de nouvelles longueurs d'onde en favorisant les opérations de détection via la spectroscopie d'onde évanescente. Des résultats prometteurs ont été obtenus [3], et les travaux dans cette direction se poursuivront. Les microsphères qui permettent à la fois la fabrication de résonateurs et de capteurs, pour lesquelles de premiers résultats encourageants ont été obtenu, sont aussi envisagées. Les modélisations numériques, reposant sur des codes développés à l'ICB, orienteront les recherches vers le développement de lasers Raman et Brillouin ainsi que la génération de supercontinuum et peignes de fréquences Kerr.

Une autre approche du projet consiste à exploiter le signal se propageant à la surface de la fibre de verre en utilisant un procédé chimique en collaboration avec notre partenaire brésilien, qui a développé une technique permettant de déposer à la surface du verre une couche d'organométallique dans laquelle le métal est une terre rare (Ln-MOF) qui permet la détection ratiométrique (fluctuations des rapports d'intensité) [4]. La surface de la fibre de verre peut également être mise à profit à travers des phénomènes physiques basés sur les résonances plasmoniques. Le dépôt sur la surface de la fibre de verre d'une couche métallique structurée, dont la morphologie est contrôlée, conduit à la formation de plasmons de surface localisés amplifiant fortement le champ proche confiné à la surface de la fibre [5]. Ce champ proche interagit avec les molécules adsorbées à la surface du guide d'onde, entraînant une réponse amplifiée aussi bien pour la diffusion Raman que pour l'absorption IR. Ces deux phénomènes feront l'objet d'investigations.

Les infrastructures de l'ICB permettent la synthèse de verres, l'élaboration de fibres optiques (deux tours de fibrage), ainsi que des opérations de post-traitement (fabrication de tapers et de microsphères) et les caractérisations optiques linéaire et non linéaire. Elles permettent également l'étude des régimes d'impulsions ultrarapides dans la gamme infrarouge (du proche IR jusqu'à 22 µm) au sein de la plateforme SmartLight. Le dépôt de nanoparticules métalliques structurées sera réalisée grâce aux équipements de l'ICB (plateforme technologique ARCEN). Notre partenaire brésilien, l'IQSC, possède une expertise avancée concernant la caractérisation spectroscopique des ions de terres rares et la fonctionnalisation de surfaces des amorphes par revêtement de MOFs et dépôt chimique de nanoparticules métalliques à morphologies contrôlées.

En fonction du profil et des intérêts du candidat, le sujet de recherche pourra s'orienter préférentiellement sur les aspects liés aux matériaux ou sur les aspects optiques. Les candidats doivent posséder de solides connaissances en science des matériaux (physico-chimie des matériaux) ou en optique et physique. Une expérience concernant la synthèse de verre, le travail en salle blanche, le dépôt de couches minces métalliques ou la simulation numérique serait un atout. Le candidat doit posséder de bonnes compétences en anglais, à l'écrit comme à l'oral.
Dossier de candidature
- Lettre de recommandation
- Lettre de motivation
- Curriculum vitae
- Relevés de notes académiques
[1] E. SERRANO, D. BAILLEUL, F. DÉSÉVÉDAVY, P. BÉJOT, G. GADRET, P. MATHEY, F. SMEKTALA, AND B. KIBLER, Accepted in Photonics Research, (2024).
[2] R. BIZOT, I. TILIOUINE, F. DÉSÉVÉDAVY, G. GADRET, C. STRUTYNSKI, E. SERRANO, P. MATHEY, B. KIBLER, S. FÉVRIER, AND F. SMEKTALA, APL Photonics, 9, No. 11.
[3] D. BAILLEUL, E. SERRANO, B. MAHLOOVANYI, C. BROUSSARD-PLEDEL, L. C. DAVID, F. DÉSÉVÉDAVY, P. MATHEY, G. GADRET, C. STRUTYNSKI, Y. MESSADEQ, F. SMEKTALA, AND B. KIBLER, Submitted to Applied Optics, (2025).
[4] R. G. CAPELO, C. STRUTYSK, F. DÉSÉVÉDAVY, F. SMEKTALA, AND D. Manzani, Anais, (2024).
[5] J. KOZUCH, K. ATAKA, AND J. HEBERLE, Nature Reviews Methods Primers, 3, No. 1, (2023).

Contexte de travail
Cette thèse de doctorat se déroulera dans le cadre d'une collaboration internationale entre le laboratoire ICB et l'Université de São Paulo (Brésil), soutenue par l'ANR (appel à projets AAPG 2024, projet RAISES 24-CE08-4812). Ce poste est financé pour 36 mois avec une date de démarrage prévue entre le 1er septembre et le 31 décembre 2025.

Les recherches interdisciplinaires du laboratoire forme un continuum du fondamental aux applicationsce qui permet le développemtn de nouveaux matériaux, leur design via la simulation numérique et leur cararctérisations aussi bien physique que chimique telle que les effets optiques non lineaires, l'optique impulsionnelle ultrarapide,la caractérisation de la physico-chimie des intertfaces (AFM, XPS, SIMS) ou encore les caractérisations en champ proche SNOM. Ses activités spécialisées dans les domaines de la microscopie optique et électronique, les fibres optiques, les lasers, la nanofabrication, la nanophotonique quantique, la nanomédecine, l'analyse des surfaces et des interfaces, la réactivité, la caractérisation et l'élaboration de matériaux (procédés, pile à combustible, métallurgie des poudres, fabrication additive, frittage, ciments, capteurs et contrôle non destructif) sont soutenues par 5 plateformes technologiques. L'expertise pluridisciplinaire est mise à disposition des projets de recherche et au service des pôles et des entreprises de la Région et au-delà (nationales et internationales).

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.