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Article

1 - DÉVELOPPEMENT DES LASERS À L’ÉTAT SOLIDE

2 - PRINCIPALES MATRICES CRISTALLINES POUR L’ACCUEIL DES IONS ACTIFS

3 - DOPAGE PAR LES IONS DE TRANSITION

4 - DOPAGES PAR LES IONS TERRES RARES

5 - CONCLUSION

| Réf : AF3276 v1

Dopages par les ions terres rares
Luminescence cristalline appliquée aux sources lasers

Auteur(s) : Georges BOULON

Date de publication : 10 janv. 2006

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RÉSUMÉ

Cet article présente la physique des matériaux luminescents inorganiques appliqués aux lasers (cristaux, verres, aujourd’hui céramiques transparentes) émettant dans le domaine de l’optique (ultraviolet, visible et proche infrarouge). Les raies d’émission sont soit des raies fines surtout avec les ions de terres rares pour les sources lasers à longueurs d’ondes fixes, soit des bandes larges avec les ions de transitions pour les lasers à longueurs d’ondes accordables. On décrit les tendances de l’évolution de ces sources lasers dites «tout solide» continues ou à impulsions (ns-ps-fs), pompées par des diodes lasers de puissance.

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ABSTRACT

Crystalline Luminescence Applied to Laser Sources

This article presents the fundamental physics of solid-state laser-type materials (crystals, glasses, and now transparent ceramics) giving rise to emission within the optical spectral range (ultraviolet, visible, near infrared). The emission lines are either sharp, mainly with rare earth ions for one-wavelength laser sources, or broad bands with metal transition ions for tunable laser sources. We describe the trends in solid-state CW or pulsed (ns-ps-fs) laser sources, with increasing use of high power pump diodes.

Auteur(s)

  • Georges BOULON : Professeur des UniversitésLaboratoire de Physico-Chimie des Matériaux luminescents Université Claude Bernard Lyon 1 - Unité Mixte de Recherche CNRS 5620

INTRODUCTION

Ce dossier sur la luminescence cristalline appliquée aux sources lasers est l’un des quatre dossiers relatifs à la présentation générale des sources lasers à l’état solide qui inclut également la physique du laser [AF 3 275], les cristaux et l’optique non linéaire [AF 3 278] et la génération des impulsions laser jusqu’aux ultra-brèves à l’échelle de la femtoseconde [AF 3 277]. Le principal objectif est de décrire la physique des matériaux luminescents émettant dans le domaine de l’optique (ultraviolet, visible et proche infrarouge) sous la forme de raies fines surtout avec les ions de terres rares pour les lasers à longueurs d’ondes fixes, ou sous la forme de bandes larges pour les lasers à longueurs d’ondes accordables essentiellement avec les ions de transitions. De nombreux exemples de cristaux laser illustrent cet article avec leurs caractérisations spectroscopiques justifiant les domaines spectraux d’utilisation des sources laser. Les sources recherchées sont plutôt compactes soit continues, soit à impulsions avec une utilisation accrue des pompages par des diodes lasers dans le proche infrarouge.

Les références [1] à [12] sont relatives à la bibliographie générale des ouvrages et articles sur le sujet des matériaux lasers.

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KEYWORDS

solid-state laser inorganic materials   |   transparent ceramics   |   pulsed lasers   |   tuneable lasers   |   high power diode

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-af3276


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4. Dopages par les ions terres rares

Ce sont : Ce3+(4f1), Pr3+(4f2), Nd3+(4f3), Dy3+(4f9), Ho3+(4f10), Er3+(4f11), Tm3+(4f12), Yb3+(4f13).

4.1 Configurations électroniques

La structure électronique des ions lanthanides auxquels appartiennent les ions terres rares est [Xe]4tNN varie de 0 à 14 du lanthane au lutétium pour les ions trivalents. Les électrons de 4f N sont responsables pour l’essentiel de leurs propriétés optiques et magnétiques.

Les spectres optiques des ions terres rares dans les solides correspondent à des transitions électroniques à l’intérieur de la couche 4f. Ils sont caractérisés par des raies fines à cause de l’effet d’écran des électrons 5s et 5p sur le champ cristallin auquel sont soumis les électrons 4f. Pour cette même raison, la position des raies d’absorption et d’émission varie peu d’une matrice à l’autre et on peut attribuer ces signaux sans ambiguïté. Par la suite nous montrerons plusieurs exemples de raies spectrales d’ions laser dans les cristaux associés à la configuration 4fN.

On peut aussi observer, dans certains cas (Eu2+, Ce3+, Pr3+) des transitions inter-configurationnelles 4f-5d. Les bandes d’absorption ou d’émission sont alors beaucoup plus larges, comme pour les ions de transition 3d, car la couche 5d subit fortement les effets du champ cristallin et leurs intensités sont considérablement plus élevées (multipliées par un facteur 1 000) puisque ces transitions se produisent entre états de parités opposés.

Exemple

nous montrons sur la figure 21 les spectres d’absorption et d’émission de l’ion laser Ce3+ dans le cristal LiSrAlF6 (LiSAF) : Ce3+ pour lequel l’émission laser a été enregistrée dans l’UV de la bande 4f-5d vers les 2 niveaux de 4f (2F5/2 et 2F7/2).

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4.2 Niveaux d’énergie

Les niveaux d’énergie des ions lanthanides...

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