Cet article est la réédition actualisée de l’article « Propriétés optiques des terres rares » rédigé par François Auzel, paru en 1998, revu et complété en 2017 par Richard Moncorgé.
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Article de référence | Réf : E1980 v2
Auteur(s) : François AUZEL, Richard MONCORGÉ
Date de publication : 10 juil. 2017
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Cet article est la réédition actualisée de l’article « Propriétés optiques des terres rares » rédigé par François Auzel, paru en 1998, revu et complété en 2017 par Richard Moncorgé.
Cet article revient sur ce qui fait la spécificité des ions de terres rares dans les solides et sur les fondamentaux qui permettent de comprendre leurs propriétés optiques de base : niveaux d’énergie, transitions optiques radiatives et non radiatives, interactions entre les ions et transferts d’énergie. Il montre comment ces propriétés peuvent être différentes d’un matériau à l’autre si on tient compte des transitions optiques entre configurations électroniques fondamentale et excitée, et si on fait intervenir des transferts de charges avec des ions du matériau hôte. Ces propriétés optiques et spectrales sont mises à profit dans de nombreuses applications.
This article reviews the specific features of rare earth ions in solids, and the fundamentals that account for their basic optical properties: energy levels, radiative and non-radiative transitions, ion-ion interactions and energy transfers. It also shows how these properties can differ from one material to another if we take into account optical transitions between fundamental and excited electronic configurations and charge transfers with host ions. Finally it shows how these optical and spectral properties are used in many applications.
François AUZEL : Ex-ingénieur en chef de France Télécom, - Docteur-ingénieur, Université de Paris, FAC Consulting, Le Mesnil-Saint-Denis, France
Richard MONCORGÉ : Ex-directeur de recherche au CNRS - Professeur émérite, Université de Caen, France -
Pour schématiser, on peut dire que jusqu’avant l’ère du laser en 1962, les terres rares étaient considérées comme une curiosité scientifique de par leurs positions dans le tableau de Mendeleïev. Depuis cette date et jusqu’en 1988, l’optique des ions terres rares (TR) a été dominée par le développement des lasers pompés par des lampes du type « corps noir » mettant essentiellement en jeu l’ion néodyme trivalent (Nd3+). Plus particulièrement, les lasers YAG:Nd (Yttrium Aluminium Garnet : néodyme) ont montré leur utilité pour de nombreuses applications dans les laboratoires de physique, soit en régime continu (CW) soit en impulsions brèves pour la génération d’harmoniques ou les effets d’optique non linéaires, mais aussi de manière plus appliquée pour la télémétrie, la soudure, le perçage, la médecine.
Depuis 1988, on peut distinguer une deuxième période, qui a vu la mise en jeu des sources de pompage monochromatique très efficaces que constituent les lasers à semi-conducteurs III-V émettant dans le proche-infrarouge. Ces sources, associées au confinement optique procuré par les fibres optiques, ont permis le développement de lasers et amplificateurs optiques basés sur d’autres ions du groupe des terres rares tel que l’ion erbium (Er 3+), très utilisé dès 1992 dans les télécommunications optiques à grandes distances. Ces lasers à semi-conducteurs servent aussi depuis le début des années 2000 au pompage optique de chaînes lasers ultra-intenses (impulsions sub-picosecondes et puissances crêtes multi-petawatts) à base de cristaux et céramiques transparentes sous forme de plaques, disques et fibres de gros diamètre dopés par l’ion ytterbium (Yb3+), cela pour diverses applications comme la production et l’accélération de particules. Durant ces mêmes années, sont aussi apparus des lasers à semi-conducteurs III-V très efficaces émettant dans le bleu et utilisés pour le pompage optique de cristaux et fibres optiques dopés par l’ion praséodyme (Pr 3+) pour le développement de sources lasers rouge-vert-bleu.
En parallèle avec le développement des sources de lumière cohérentes, les ions terres rares sont aussi très utiles pour la création de nouveaux luminophores appliqués à l’éclairage (lampe à basse consommation, LED), pour la télévision en couleur (LEDs et luminophores pour tubes cathodiques à vision directe ou à projection) ou pour les convertisseurs-amplificateurs de rayons X à usage médical et la détection de particules (scintillateurs).
Par conséquent, bien que de nombreux articles aient été consacrés à chacune de ces évolutions et aux matériaux dopés terres rares en général [E 6 347] [E 6 485] [E 6 357], une revue de synthèse sur les propriétés optiques de base et les applications de ces ions s’avère nécessaire.
On présente dans cet article d’abord la spécificité des terres rares parmi tous les autres atomes du tableau de Mendeleïev. Cette spécificité est liée à l’existence de la couche électronique 4f incomplète qui les caractérise, et qui permet à leurs ions, à l’état trivalent, d’adopter un comportement particulier quasi atomique même lorsqu’ils sont insérés dans une matrice solide, soit comme dopants, soit comme constituants. On montre néanmoins qu’il peut en être tout autrement lorsqu’on doit considérer des niveaux d’énergie résultant du passage d’un de ces électrons 4f vers un niveau 5d supérieur. On décrit ensuite l’origine des niveaux d’énergie de ces ions trivalents dans une matrice solide comme un cristal ou un verre. On détaille alors l’origine et la nature des transitions entre ces niveaux, car ce sont ces transitions qui commandent les propriétés optiques des ions terres rares. Une section est consacrée ensuite aux interactions entre les ions, car elles jouent souvent un rôle important dans les propriétés optiques liées aux transferts d’énergie. On présente enfin les différents types de matériaux pouvant accueillir des ions de terres rares et les effets qui peuvent en résulter, puis quelques applications importantes.
Un tableau des symboles utilisés est présenté en fin d’article.
lasers and amplifiers | ion-doped crystals and glasses
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OPTIQUE PHOTONIQUE
(1) - AUZEL (F.) - Coherent emission in rare-earth materials. - Handbook on the Physics and Chemistry of Rare-Earths, edit. by GSCHNEIDER (K.A.) et EYRING (L.), Elsevier Science, vol. 22, p. 507-606 (1996).
(2) - BLASSE (G.), GRABMEIER (B.C.) - Luminescent materials. - Springer (1994).
(3) - KAMINSKI (A.A.) - Crystalline lasers : physical processes and operating schemes. - CRC Press, Boca-Raton, Florida, États-Unis (1996).
(4) - AUZEL (F.) - Up-conversion in RE-doped solids. - Spectroscopic properties of rare-earths in Optical Materials, eds. LIU (G.) et JACQUIER (B.), Springer/Tsinghua Univ. press, chap. 5, p. 266-319 (2005).
(5) - MONCORGÉ (R.) - Current topics in rare-earth lasers. - Spectroscopic properties of rare-earths in Optical Materials, eds. LIU (G.) et JACQUIER (B.), Springer/Tsinghua Univ. press, chap. 6, p. 320-378 (2005).
...
Voici une liste de quelques laboratoires de recherche impliqués dans les ions de terres rares.
En France :
Institut de recherche de chimie Paris, École nationale supérieure de chimie de Paris IRCP-Chimie-Paristech – Équipe MPOE http://www.ircp.cnrs.fr/spip.php?article6
Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux ICMCB (groupe centre de ressources : cristallogenèse, hautes pressions, frittage, couches minces et interfaces) http://www.icmcb-bordeaux.cnrs.fr/spip.php?rubrique32
Institut lumière matière (ILM) à Lyon http://ilm.univ-lyon1.fr/
Laboratoire CIMAP (Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la phonique) – groupes MIL (Matériaux et instrumentation laser) et LIOA http://cimap.ensicaen.fr/spip.php?rubrique71
Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique LCFIO (groupe Lasers) https://www.lcf.institutoptique.fr/Groupes-de-recherche/Lasers
À l’étranger :
Institut of Laser Physics, Hamburg, Allemagne – Groupe Solid-State Lasers http://photon.physnet.uni-hamburg.de/en/ilp/huber/
Université de Pise, Italie – Groupe « Optoelectronics materials : from nanoscale to single crystals » http://www.nano.cnr.it/index.php?mod=men&id=170
Universitat Rovira i Virgili, Tarragone, Espagne...
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2 - NIVEAUX D’ÉNERGIE DES IONS TERRES RARES
3 - TRANSITIONS OPTIQUES ENTRE NIVEAUX DES TERRES RARES
4 - INTERACTIONS ENTRE IONS DE TERRES RARES
5 - MATRICES HÔTES ET EFFETS ASSOCIÉS
6 - QUELQUES APPLICATIONS IMPORTANTES DES IONS TERRES RARES
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