Luminescence cristalline appliquée aux sources lasers : Développement des lasers à l’état solide

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Présentation

1. Développement des lasers à l’état solide

1.1 Facteurs favorables

Le principal objectif est de trouver de nouveaux matériaux luminescents émettant dans le domaine de l’optique (ultraviolet, visible et proche infrarouge) soit sous la forme de raies fines pour les lasers à longueurs d’ondes fixes, soit sous la forme de bandes larges pour les lasers à longueurs d’ondes accordables. Les principales sources développées compactes sont soit continues, soit à impulsions atteignant aujourd’hui l’échelle de quelques femtosecondes (10^–15 s) avec une utilisation accrue des pompages par des diodes lasers dans le proche infrarouge et avec l’objectif d’utiliser demain des diodes émettant dans le visible, le bleu puis l’ultraviolet.

C’est le dopage de matrices cristallines ou vitreuses par des ions activateurs comme les ions de transition et les ions terres rares qui leur confère les propriétés optiques d’absorption et d’émission désirées. Les possibilités de substitution des sites cationiques des réseaux de base sont multiples et dépendent essentiellement des charges et dimensions des cations comparées à celles des ions dopants. Il n’y a pas que les propriétés optiques qui doivent être considérées ; les propriétés thermiques sont aussi des plus importantes pour libérer les flux de chaleur intenses produits lors du fonctionnement, ce qui laisse jusqu’alors le champ libre principalement aux matériaux inorganiques dopés par rapport aux matériaux organiques beaucoup plus fragiles.

Ainsi la percée des lasers à solide a été rendue possible par la conjugaison des développements des recherches dans les trois domaines :

de la chimie du solide et de la cristallogénèse, principalement par la méthode Czochralski (figure 1) ;
de la spectroscopie des matériaux inorganiques luminescents dopés par des ions de terres rares ou des ions de transition ;
des mesures du gain de l’émission stimulée.

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1.2 Succès des lasers à solide

Le succès des lasers à solide est due à plusieurs raisons. D’abord la concentration des ions actifs est plus forte qu’avec les milieux...

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Sommaire
Sommaire détaillé

INTRODUCTION

1 - DÉVELOPPEMENT DES LASERS À L’ÉTAT SOLIDE

1.1 - Facteurs favorables
1.2 - Succès des lasers à solide
1.3 - Mise au point de sources accordables en fréquences
1.4 - Pompage de diodes lasers et attraction de sources à impulsions ultra-courtes
1.5 - Développement des cristaux à propriétés non linéaires

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

3 - DOPAGE PAR LES IONS DE TRANSITION

3.1 - Occupation des sites cristallographiques octaédriques et tétraédriques
3.2 - Ion Ti3+ en symétrie octaédrique base des sources lasers dite saphir dopé titane
3.3 - Ion Cr3+ en symétrie octaédrique
3.4 - Interprétation de l’interaction électron-phonon relative aux ions de transition

4 - DOPAGES PAR LES IONS TERRES RARES

4.1 - Configurations électroniques
4.2 - Niveaux d’énergie
4.3 - Règles de sélection
4.4 - Spectroscopie de l’ion laser Nd3+ (4f3)
4.5 - Cristal laser de grenat YAG : Nd3+ (Y3Al5O12 : Nd3+)
4.6 - Cristaux de vanadate YVO4 ou GdVO4 dopés Nd3+
4.7 - Borate de scandium et de lanthane La Sc3 (BO3)4 dopé Nd3+ (LSB : Nd3+)
4.8 - Cristaux dopés Yb3+
4.9 - Ions terres rares émettant dans le proche IR vers 2 m et aux longueurs d’ondes plus élevées