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
• 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 ultracourtes
• 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
  Figure 5 - Site de symétrie octaédrique occupé par un ion Cr3+ par exemple entouré de 6 anions oxygène ou de 6 anions fluor dans un réseau Figure 6 - Site de symétrie tétraédrique occupé par un ion Cr4+ entouré par 4 anions oxygène dans un réseau
• 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 s et p
• 3.3 - Ion Cr3+ en symétrie octaédrique
  Figure 8 - Formes des lobes des orbitales d et niveaux d’énergies associés 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 avec changement de spin (transition intraconfigurationnelle), l’autre entre les configurations t2g et eg sans changement de spin (transition interconfigurationnelle)
• 3.4 - Interprétation de l’interaction électron-phonon relative aux ions de transition
  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 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 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 Figure 18 - Exemple de variation de la constante de temps de fluorescence de l’ion Cr3+ en fonction de la concentration dans le rubis Figure 19 - Schéma de l’auto-piégeage associé à la figure 18 Figure 20 - Transfert d’énergie non radiatif entre l’ion Cr3+ et une impureté présente dans le réseau cristallin conduisant à la réduction de la constante de temps

4 - Dopages par les ions terres rares

• 4.1 - Configurations électroniques
  Figure 21 - Spectres d’absorption et d’émission de l’ion cérium Ce3+ dans les cristaux de fluorures et un cristal de phosphate
• 4.2 - Niveaux d’énergie
  Tableau 2
• 4.3 - Règles de sélection
  Figure 22 - Éclatement de la configuration 4f11 (Er3+) sous l’effet des différents termes de l’hamiltonien H Figure 23 - Niveaux d’énergie des ions terres rares trivalents
• 4.4 - Exemple de spectroscopie de l’ion laser Er3+ (4f11)
  Figure 24 - Éclatement de la configuration 4f11 de l’ion Er3+ sous l’effet des interactions électronique coulombienne, spin-orbite et du champ cristallin appliqué uniquement au niveau 4I15/2
• 4.5 - Cristal laser de grenat YAG : Nd3+ (Y3Al5O12 : Nd3+)
  Figure 25 - Structure cubique de la famille des grenats avec mise en évidence des 3 types de sites octaédrique, dodécaédrique et tétraédrique Figure 26 - Spectre d’absorption ultraviolet, visible, proche infrarouge 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 ») Figure 28 - Spectre d’émission de l’ion Nd3+ dans le YAG à la température ambiante Tableau 3
• 4.6 - Cristaux de vanadate YVO4 ou GdVO4 dopés Nd3+
  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 4F3/2 dans les cristaux GdVO4, YVO4 et YAG à la température ambiante Figure 32 - Montage de la cavité laser utilisant un cristal de Nd3+ : GdVO4 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 Figure 35 - Cristal de YAG : Yb3+ tiré à l’institut Lumière Matière de l’université Claude Bernard (Lyon 1) Figure 36 - Spectres d’absorption et d’émission de l’ion Yb3+ dans 5 % Y2O3 : 5 % Yb3+  Figure 37 - Variation du déclin de fluorescence du niveau excité 2F5/2 de l’ion Yb3+ dans Y2O3 Figure 38 - Émission laser de l’ion Yb3+ dans une céramique transparente de Y2O3 Tableau 5
• 4.9 - Ions terres rares émettant dans le proche infrarouge vers 1,5 μm et aux longueurs d’ondes plus élevées
  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 - Absorption de l’eau dans l’infrarouge et positions des longueurs d’onde des raies lasers issues de cristaux à base d’ions terres rares Tableau 6 Tableau 7
• 4.10 - Laser accordable dans l’UV avec l’ion Ce3+
  Figure 41 - Émission laser accordable UV du cristal Ce3+ : LiCaAlF6 comparée avec celle d’un laser Ti3+ : saphir dans le proche infrarouge Figure 42 - Comparaison entre la puissance de sortie de l’émission laser issue d’une céramique transparente et d’un cristal de YAG : Nd3+ Figure 43 - Obtention d’un laser émettant des impulsions ultrabrèves de 615 fs avec une céramique de Y2O3 : Yb3+ Figure 44 - 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 220 m Figure 45 - Puissance de l’émission laser en W en sortie d’une cavité contenant une céramique et un cristal de xCaF2-(1-x)SrF2 : 5 % Yb3+

5 - Conclusion