Des miroirs d’exception : l’IP2I et sa plateforme LMA unissent leurs forces autour du saphir

L’IP2I (CNRS/UCBL), à travers sa plateforme de pointe, le LMA, développe une nouvelle expertise dans le polissage optique de précision de grands cristaux de saphir. Matériau d’avenir, le saphir est considéré comme une solution prometteuse pour les futurs miroirs cryogéniques des détecteurs d’ondes gravitationnelles, tout en ouvrant la voie à de nombreuses applications industrielles dans des domaines variés tels que la défense, les lasers intenses ou les environnements extrêmes.

Ce projet s’inscrit dans une dynamique régionale de structuration d’une filière dédiée à la production et à la caractérisation de cristaux d’exception. Cette filière bénéficie d’une collaboration de longue date avec l’Institut Lumière Matière (iLM, UCBL et CNRS/INP) également implanté sur le campus de la Doua, spécialisé dans la croissance cristalline  du saphir.

Le saphir, cristal d’oxyde d’aluminium, se distingue par des propriétés physiques et optiques exceptionnelles : une large bande de transmission (de l’ultraviolet à l’infrarouge), une grande résistance mécanique, une haute conductivité thermique et une stabilité remarquable, de températures cryogéniques jusqu’à plus de 1500 °C. Ces qualités en font un matériau clé pour les hublots, les lasers intenses et les expériences dans des environnements extrêmes. Mais sa dureté rend son polissage particulièrement délicat, une étape pourtant essentielle pour obtenir des surfaces optiques de précision.

Au-delà du domaine de la détection des ondes gravitationnelles, le saphir, par ses propriétés (taille, dureté, transparence et stabilité thermique), a également d’autres applications dans de nombreuses expériences de physique telles que MADMAX, LiteBIRD, POLARBEAR ou ThomX mais aussi dans l’industrie, par exemple pour des substrats de LED, des lentilles et miroirs laser, des hublots aérospatiaux et des fenêtres de fours ou réacteurs chimiques, offrant des composants robustes et à haute valeur ajoutée. 

Un nouvel équipement pour le polissage de précision

Les traitements de surface des grandes optiques constituent déjà l’une des spécialités du LMA. Le laboratoire est reconnu internationalement pour son expertise dans le dépôt de couches minces à très hautes performances, permettant de conférer aux optiques des propriétés réfléchissantes d’une qualité exceptionnelle. Le LMA a notamment réalisé les miroirs les plus critiques des détecteurs d’ondes gravitationnelles, considérés aujourd’hui comme les meilleurs au monde.

En revanche, aucune compétence locale n’existait jusque-là sur l’étape précédente du processus : le polissage optique de précision.  L’IP2I a acquis dans le cadre du CPER(Contrats de Plan Etat-Région), un robot de polissage 7 axes capable de traiter des substrats jusqu’à 400 mm de diamètre. Fabriqué par Zeeko et livré à l’automne 2024, cet équipement ouvre la voie à une nouvelle expertise lyonnaise dans la maîtrise complète de la chaîne de production d’optiques de très haute précision.

Une surface précise au niveau d’une dizaine de nanomètres !

Les premières campagnes menées au premier semestre 2025 sur des échantillons de 100 mm de diamètre affichent déjà des résultats remarquables : Partant d’un substrat découpé avec des erreurs de surface de 3 µm (3 millièmes de millimètre), après plusieurs étapes de polissage, la hauteur des erreurs de surface a été réduite par un facteur 200. Sur la pièce finale, les plus grandes bosses ont alors une hauteur de 15 nm au centre, soit la taille de 30 molécules de saphir superposées dans la maille du cristal. La technique est de plus facilement extrapolable pour des dimensions plus grandes.

« C'est un excellent résultat, et obtenu en seulement 6 mois. Ce type de qualité de surface permet déjà de répondre à 95 % des besoins en optique », s'enthousiasme Laurent Pinard directeur du LMA, « Cela est très prometteur, mais nous devons maintenant nous concentrer sur les petits défauts de surface et aussi sur le polissage du bord du substrat. »

Les prochaines étapes seront d’augmenter progressivement la taille des substrats à polir pour atteindre 300 mm de diamètre en 2027. Cette dimension sera par exemple compatible avec une future amélioration du détecteur japonais d’ondes gravitationnelles KAGRA. Le but à long terme est de pouvoir proposer les meilleurs grands miroirs en saphir produits intégralement à Lyon.

« Avoir sur le campus de la Doua toute la chaîne de production des miroirs – de la croissance du saphir au polissage et à la caractérisation – est un atout majeur et stratégique », souligne Anne Ealet, directrice de l’IP2I. « Cela va nous donner un place en première ligne pour préparer la prochaine génération de miroirs pour les détecteurs d’ondes gravitationnelles. »

Bien que tous les développements se fassent actuellement sur le saphir, des tests sont prévus sur d’autres matériaux, en particulier sur le verre (silice), très utilisé dans les optiques pour le visible et le proche infrarouge.

Outre le financement du CPER pour l’acquisition de la machine de polissage, ce projet est aussi soutenu par un programme de recherche technologique CNRS Nucléaire & Particules et le projet Nippon-Lyon (Pack Ambition International de la région Auvergne-Rhône-Alpes). Les lingots de saphir sont fournis dans le cadre du projet I-Demo SEPO450 de la région Auvergne-Rhône-Alpes.