Light Management in Scintillating Materials

La gestion de la lumière, le contrôle de son émission et de sa propagation est pertinente pour de nombreuses applications, comme la détection précoce de maladies (cancer) et le contrôle de la dose de rayonnement. Bien que de nombreux efforts aient été déployés pendant plus de 30 ans pour améliorer de l’efficacité quantique des matériaux scintillants, très peu a été fait en matière de gestion de la lumière. La thèse proposée porte sur l'amélioration de la production de lumière par deux approches, dépendant de la nature du matériau scintillant. La première approche consiste à améliorer l'extraction de lumière soit par adaptation de l'indice de réfraction (structures subdiffractives), soit par diffraction (structures microniques). La seconde approche vise à améliorer l’émission par effet Purcell via la structuration en volume. Cette dernière approche n’est possible qu’en utilisant des matériaux scintillants organiques. Ce travail de thèse a été mené dans le cadre de deux projets de recherche et a principalement porté sur le formalisme numérique nécessaire à la description des interactions lumière-matière au niveau des structures et du scintillateur. Light management, i.e. light propagation and light emission control is extremely relevant for numerous applications, for example, early disease detection (cancer) and radiation dose control in general. While numerous efforts have been made for more than 30 years in scintillating material elaboration to enhance the internal quantum efficiency, very little has been done on light management. The proposed PhD study aimed at addressing the enhancement of the light output by two approaches depending on the scintillating material. The first approach lies in light extraction improvement via surface structuring for enhanced transmission achieved either by refractive-index matching or enhanced light scattering. Subdiffraction and diffracting structures have been considered. The second approach lies in light emission enhancement via volume structuring and Purcell effect. The latter approach is only made possible using organic scintillating materials. The PhD work was conducted within the frame of two research projects and mainly focused on the numerical formalism necessary to describe the light-matter interactions at the structure level and at the crystal level.