Article

1 - TYPES DE MATÉRIAUX ET PROBLÉMATIQUES D'UTILISATION/APPLICATION

2 - CARACTÉRISTIQUES SPECTROSCOPIQUES ET DYNAMIQUES – PROCESSUS OPTIQUES MIS EN JEU

3 - TECHNIQUES DE CARACTÉRISATION OPTIQUES ET SPECTROSCOPIQUES CLASSIQUES

4 - MÉCANISMES SPÉCIFIQUES ET TECHNIQUES DE MESURES ASSOCIÉES

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE – DÉFINITIONS

Article de référence | Réf : E6327 v1

Matériaux luminescents : techniques de caractérisation optique et spectroscopique

Auteur(s) : Richard MONCORGÉ

Date de publication : 10 avr. 2015

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Présentation

RÉSUMÉ

Les matériaux luminescents entrent aujourd'hui dans la composition de nombreux dispositifs pour des applications très diverses allant de l'éclairage et la signalisation publique aux lasers ultra-intenses en passant par les télécommunications optiques à haut-débit et l'information quantique. De nombreux articles leur ont donc déjà été consacrés et peuvent être trouvés dans la littérature récente. L'article présent est consacré quant à lui plus spécifiquement aux outils et techniques utilisés pour caractériser leurs propriétés optiques et spectroscopiques, l'accent étant mis, en guise d'illustration, sur ceux qui sont aujourd'hui les plus étudiés, c'est-à-dire les matériaux inorganiques solides dopés par des ions de terres rares ou des ions de transition du groupe du fer.

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ABSTRACT

Today luminescent materials enter into the composition of many devices for applications ranging from lighting and public displays to ultra-intense lasers, via high speed optical telecommunication and quantum information. Many scientific articles have thus already been dedicated to their description and can be found in the recent literature. This article deals more specifically with the tools and techniques used to characterize their optical and spectroscopic properties, with particular emphasis, by way of illustration, on those that are now the most widely studied, i.e. solid state inorganic materials doped by rare-earth ions and transition metal ions of the iron group.

Auteur(s)

  • Richard MONCORGÉ : Professeur à l'université de Caen Basse-Normandie - Docteur ès sciences physiques - ex-Directeur de recherche au CNRS Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la photonique (CIMAP), unité mixte de recherche CEA-CNRS-ENSICAEN, université de Caen, France

INTRODUCTION

Les matériaux luminescents font partie aujourd'hui de notre quotidien. Mais qu'il s'agisse d'éclairage, d'affichage ou de signalisation publique, de télécommunications optiques à haut débit ou d'ordinateur quantique, de cellule solaire ou de laser pour applications civiles ou militaires, de nombreuses améliorations doivent être apportées et de nombreux matériaux et systèmes originaux et innovants doivent être encore découverts, à la fois pour augmenter les rendements et abaisser les coûts de fabrication tout en limitant, si ce n'est en réduisant, les risques pour la santé et l'environnement. Pour cela, quantité de laboratoires et d'instituts publics et privés, dans les pays déjà fortement industrialisés mais aussi dans les pays émergents, y consacrent des moyens financiers et humains de plus en plus importants. De nombreux chercheurs physico-chimistes, opticiens, spectroscopiques ou physiciens des lasers doivent être formés pour utiliser quantité de méthodes et de techniques pour caractériser les matériaux qu'ils ont eux-mêmes conçus ou fabriqués ou qu'on leur a fournis pour les intégrer dans les systèmes qu'ils doivent tester. Il s'agit en général de caractérisations chimiques et structurales, de caractérisations thermiques et thermomécaniques et/ou de caractérisations optiques et spectroscopiques.

Plusieurs articles ont déjà été dédiés aux propriétés optiques et spectroscopiques des matériaux luminescents organiques pour les OLED et aux matériaux inorganiques dopés terres rares ou ions de transition pour l'éclairage, les cellules solaires de 3e génération et les lasers. Nous nous intéresserons plus particulièrement dans cet article à cette deuxième catégorie de matériaux luminescents mais surtout du point de vue des méthodes et techniques de caractérisation optiques et spectroscopiques. Le but est de présenter ce qu'on peut trouver comme techniques commerciales mais aussi de décrire le fonctionnement et les caractéristiques des outils utilisés, qu'il s'agisse de sources d'excitation lumineuse, de détecteurs ou de systèmes d'analyse et de traitement du signal. Toutes les méthodes et techniques classiques de caractérisation spectroscopiques (absorption, émission, excitation, temps de vie de fluorescence, rendement quantique) seront passées en revue, en prenant soin chaque fois de détailler les aspects de calibrage et d'exploitation des résultats en fonction des systèmes étudiés.

On verra par exemple comment corriger les spectres de la réponse spectrale des appareils, comment tenir compte de la polarisation dans le cas de cristaux biréfringents, comment éviter les problèmes posés par le piégeage radiatif, comment déterminer des rapports de branchements, comment décrire l'évolution thermique des spectres observés et enfin comment calibrer les spectres en unité de section efficace. Une autre partie sera consacrée quant à elle à des mécanismes et des techniques de mesures plus spécifiques. Seront décrites plus particulièrement les techniques pompe-sonde qui permettent d'enregistrer et de calibrer les spectres d'absorption dans les états excités des ions, les méthodes de caractérisation des spectres d'excitation multi-photons et de luminescence dite « coopérative », et les techniques pompe-sonde pour enregistrer les variations d'indices de réfraction d'origine thermique ou électronique résultant d'un fort pompage optique.

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KEYWORDS

energy   |   lasers   |   optics   |   spectroscopy

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e6327


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - MONCORGÉ (R.), PACHECO (D.), DI BARTOLO (B.) -   Thermal behavior of the shape and width of the 9 145 Å laser line of Nd3+ in CaWO4.  -  Phys, Stat. Sol. (a), 43, p. K45-K48 (1977).

  • (2) - ELLENS (A.), ANDRES (H.), MEIJERINK (A.), BLASSE (G.) -   Spectral-line-broadening study of the trivalent lanthanide-ion series. I. Line broadening as a probe of the electron- phonon coupling strength.  -  Phys. Rev. B, 55(1), p. 173-179 (1997).

  • (3) - DORENBOS (P.) -   Systematic behavior in trivalent lanthanide charge transfer energies.  -  J. Phys. Cond. Matter, 15, p. 8417-8434 (2003).

  • (4) - MONCORGÉ (R.), EREMEYKIN (O.N.), DOUALAN (J.L.), ANTIPOV (O.L.) -   Origin of a thermal refractive index changes observed in Yb3+ doped YAG and KGW.  -  Opt. Comm., 281, p. 2526-2530 (2008).

  • (5) - SOULARD (R.) -   Réseaux d'indice et réseaux de gain dans les milieux lasers solides dopés Nd3+ ou Yb33+ – Utilisation pour le mélange à deux ondes et les cavités laser auto-adaptatives.  -  ...

1 Annuaire

HAUT DE PAGE

1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)

Spectromètres d'absorption et spectrofluorimètres : HORIBA-JOBIN-YVON http://www.horiba.com

PERKIN-ELMER http://www.perkinelmer.com/

Lampes spectrales : ORIEL/NEWPORT https://www.newport.com/

Détecteurs : HAMAMATSU http://www.hamamatsu.fr

Oscillateur Paramétrique Optique http://www.continuumlasers.com http://www.quantel-laser.com

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1.2 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)

Réseau CNRS « Cristaux massifs, micro-nano-structures et dispositifs pour l'Optique » (CMDO+) http://www.cmdo.cnrs.fr

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1.3 Documentation...

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