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

1 - Développement des lasers à l’état solide

• 1.1 - Facteurs favorables
  Figure 1 - Méthode de croissance Czochralski d’un monocristal ; un germe cristallin de même composition animé d’un mouvement de rotation tire la boule cristalline vers le haut à partir du bain en fusion
• 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
  Tableau 1
• 3.2 - Ion Ti3+ en symétrie octaédrique base des sources lasers dite saphir dopé titane
  Figure 7 - Spectres d’absorption, d’émission et de gain du saphir dopé par l’ion Ti3+ sous les deux polarisations habituelles et Figure 8 - Formes des lobes des orbitales d et niveaux d’énergies associés
• 3.3 - Ion Cr3+ en symétrie octaédrique
  Figure 9 - Diagramme de Tanabe et Sugano pour l’ion Cr3+en fonction de l’intensité du champ cristallin interne au réseau Figure 10 - Deux types de transitions, l’une interne à la configuration t2g, l’autre entre les configurations t2g et eg Figure 11 - Schéma des courbes de configuration de l’état fondamental et de l’état excité d’un ion activateur et interprétation des spectres d’absorption et d’émission de fluorescence lorsque le décalage de Stokes est appréciable (cas de la plupart des configurations des ions de transition)
• 3.4 - Interprétation de l’interaction électron-phonon relative aux ions de transition
  Figure 12 - Intensités relatives des raies vibrationnelles du spectre d’émission en fonction du paramètre S de Huang-Rhys Figure 13 - Interprétation des spectres d’absorption et d’émission de l’ion Cr3+ dans le rubis Figure 14 - Courbes de configuration relatives à l’ion Cr3+ selon l’intensité du champ cristallin : fort, intermédiaire ou faible Figure 15 - Émission d’une bande large vibronique de l’ion Cr3+ lorsque le champ est faible Figure 16 - Spectres d’absorption et d’émission de l’ion Cr3+en champ faible dans LiSrAlF6 (LiSAF) Figure 17 - Spectres d’absorption et d’émission de ZnSe : Cr2+ évalués par leurs sections efficaces

4 - Dopages par les ions terres rares

• 4.1 - Configurations électroniques
  Figure 18 - Exemple de variation de la constante de temps de fluorescence Figure 19 - Schéma de l’autopiégeage associé à la figure  Figure 20 - Transfert d’énergie non-radiatif entre l’ion Cr3+ et une impureté présente dans le réseau cristallin
• 4.2 - Niveaux d’énergie
  Figure 21 - Spectres d’absorption (transitions entre les configurations électroniques 4f et 5d) et d’émission (transitions entre les configurations électroniques 5d et 4f) de l’ion cérium Ce3+ dans le cristal LiSAF en polarisations et
• 4.3 - Règles de sélection
  Figure 22 - Éclatement de la configuration 4f11 (Er3+) sous l’effet des différents termes de l’hamiltonien (H = Hconf + Hel + HSO + HCC) et ordre de grandeur des énergies correspondantes Figure 23 - Niveaux d’énergie des ions terres rares trivalents Tableau 2
• 4.4 - Spectroscopie de l’ion laser Nd3+ (4f3)
  Figure 24 - Décomposition du niveau d’énergie fondamentale de l’ion Nd3+ Figure 25 - Structure cubique de la famille des grenats avec mise en évidence des 3 types de sites octaédrique (O), dodécaédrique (D) et tétraédrique (T)
• 4.5 - Cristal laser de grenat YAG : Nd3+ (Y3Al5O12 : Nd3+)
  Figure 26 - Spectre d’absorption uv, visible, proche IR de l’ion Nd3+ dans YAG Figure 27 - Diagramme des niveaux d’énergie électroniques de l’ion Nd3+ dans le YAG et action du champ cristallin pour chacun de ces niveaux (effet du champ électrique ou effet « Stark ») Tableau 3
• 4.6 - Cristaux de vanadate YVO4 ou GdVO4 dopés Nd3+
  Figure 28 - Spectre d’émission de l’ion Nd3+ dans le YAG à la température ambiante montrant l’intensité de la transition laser à 1 064 nm et sa section efficace d’émission stimulée de 2,7  10–19 cm2 Figure 29 - Comparaison des spectres d’absorption polarisés de GdVO4 : Nd3+ avec celui de YAG : Nd3+ à la température ambiante Figure 30 - Comparaison des spectres d’émission polarisés de GdVO4 : Nd3+ avec celui de YAG : Nd3+ à la température ambiante Figure 31 - Décomposition du doublet dans les cristaux GdVO4, YVO4 et YAG à la température ambiante Figure 32 - Montage de la cavité laser utilisant un cristal de GdVO4 : Nd3+ pompé par diode et résultats laser Figure 33 - Exemple de rendements laser dans les cristaux de vanadates dopés par l’ion Nd3+ Tableau 4
• 4.7 - Borate de scandium et de lanthane La Sc3 (BO3)4 dopé Nd3+ (LSB : Nd3+)
• 4.8 - Cristaux dopés Yb3+
  Figure 34 - Niveaux d’énergie de l’ion Yb3+ dans les solides
• 4.9 - Ions terres rares émettant dans le proche IR vers 2 m et aux longueurs d’ondes plus élevées
  Figure 35 - Spectres d’absorption et d’émission de l’ion Yb3+ (5 %) dans Y2O3 Figure 36 - Variation du déclin de fluorescence du niveau excité 2F5/2 de l’ion Yb3+ dans Y2O3 Figure 37 - Émission laser de l’ion Yb3+ dans une céramique de Y2O3 Figure 38 - Absorption de l’eau dans l’infrarouge et positions des longueurs d’onde des raies laser issues de cristaux à base d’ions terres rares Figure 39 - Montage optique et spectre d’émission de l’ion Er3+ en sortie d’une microcavité laser (microchip) contenant un verre codopé Yb3+ –Er3+ Figure 40 - Obtention d’un laser émettant des impulsions ultrabrèves de 615 fs avec une céramique de Y2O3 : Yb3+ Figure 41 - Puissance de l’émission laser en mW en sortie d’une cavité contenant un cristal de CaF2 : 5 % Yb3+ d’épaisseurs e= 1,9 mm et e = 3 mm en fonction de la puissance de pompe d’une diode laser en W émettant à = 975 nm un faisceau de diamètre 220m. T = 2 % est le facteur de transmission du miroir de sortie de la cavité. Les rendements énergétiques représentés par les pentes des deux droites sont indiqués. Tableau 5 Tableau 6 Tableau 7

5 - Conclusion