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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

Développement des lasers à l’état solide
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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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.

HAUT DE PAGE

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 liquides ou gazeux si bien que le volume des monocristaux reste relativement faible...

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