Propriétés optiques des terres rares

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 le cas spécial qu’elles représentent dans le tableau de Mendeleïev. Depuis cette date et jusqu’en 1988, l’optique des terres rares a été dominée par le développement des lasers pompés par des lampes du type « corps noir » mettant essentiellement en jeu l’ion néodyme trivalent (Nd ³⁺). Plus particulièrement les lasers YAG : Nd (Yttrium-Aluminium Garnet : néodyme) ont montré leur utilité dans 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, les soudures, 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. 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 mais surtout l’erbium (Er ³⁺), très utilisé dès 1992 dans les télécommunications optiques à grandes distances. Ces évolutions justifient cette revue de synthèse sur les principes de l’optique des terres rares. Un historique plus détaillé de cette évolution peut être trouvé dans [1].

En parallèle, avec le développement des sources de lumière cohérentes, les terres rares (TR) se révélaient aussi être très utiles pour la création de nouveaux luminophores appliqués à l’éclairage (lampe à basse consommation), pour la télévision en couleur (luminophores pour tubes cathodiques à vision directe ou à projection, convertisseurs-amplificateurs de rayons X à usage médical. Quoique mettant en jeu les mêmes principes fondamentaux décrits ci-après pour les applications cohérentes, ces luminophores et leurs applications particulières ne seront pas décrits ici, et nous renvoyons le lecteur à une revue récente de ce domaine [2].

On montre ici 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, ce qui permet à leurs ions, généralement trivalents, d’avoir un comportement particulier quasi atomique même lorsqu’ils sont insérés dans une matrice solide soit comme dopants soit comme constituants. On décrit ensuite l’origine des niveaux d’énergie de ces ions trivalents dans une matrice solide comme un cristal ou un verre. Puis l’origine des transitions entre ces niveaux est expliquée. Ce sont ces transitions qui vont commander les propriétés optiques des ions terres rares. On montre en particulier que ces propriétés sont plus liées aux transitions non radiatives que radiatives car les premières sont très sensibles à l’environnement de l’ion terres rares alors que les secondes le sont beaucoup moins. Les interactions ions-ions peuvent jouer un rôle important dans les propriétés optiques liées aux transferts d’énergie. Les différentes matrices qui peuvent recevoir des ions de terres rares sont décrites. Enfin, les applications de ces ions aux lasers et à l’amplification optique sont présentées.