Bibliographie & annexes
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Auteur(s)
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François AUZEL : Ingénieur en Chef - Expert pour la Direction de France Télécom/ CNET/ DTD/ BAG
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Lire l’articleINTRODUCTION
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.
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- Version courante de juil. 2017 par François AUZEL, Richard MONCORGÉ
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Matrices hôtes pour les ions terres rares4. Interactions entre ions de terres rares
Lorsque la concentration en ions terres rares est augmentée dans une matrice hôte, soit pour un même type d’ion, soit pour des types différents (codopage), des interactions ion-ion se produisent. Généralement, le phénomène se produit lorsque la distance moyenne des deux ions atteint quelque 2 nm, c’est-à-dire en supposant une répartition uniforme, lorsque la concentration des ions atteint quelque 1027 m–3. Si les ions se trouvent en amas, l’interaction peut se produire dès 1023 ions · m–3.
4.1 Différents types de transferts d’énergie entre ions terres rares
La condition essentielle pour que des transferts d’énergie se produisent, est qu’il existe une quasi-résonance entre un couple de niveaux d’un ion dit sensibilisateur ou donneur et un couple de niveaux d’un ion voisin dit activateur ou accepteur. La figure 6 représente schématiquement les différentes sortes de transferts :
a ) résonnant radiatif, où un photon réel est émis par le sensibilisateur et absorbé ensuite par l’accepteur ;
b ) résonnant non radiatif, où l’échange d’énergie d’une même énergie se fait sans l’échange d’un photon réel ;
c ) non résonnant non radiatif, où l’échange se fait généralement avec l’émission de plusieurs phonons qui compensent la non résonance.
HAUT DE PAGE4.1.1 Transfert résonnant radiatif
La probabilité d’un tel transfert (en s–1) entre deux ions sensibilisateur (S) et activateur (A), à une distance suffisamment grande (R , exprimée en m) devant la longueur d’onde du photon échangé, peut s’exprimer de la façon suivante [1] :
où τS est la durée de vie de S en s, σA est la section efficace intégrée...
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Interactions entre ions de terres rares
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - AUZEL (F.) - Coherent emission in rare-earth materials (Émission cohérente dans les matériaux terres rares). - Hand-book on the Physics and Chemistry of Rare-Earths, vol. 22, p. 507-606, 7 tab., 54 fig., bibl. (270 réf.), edit. by K.A. Gschneider and L. Eyring, 1996, Elsevier Science.
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(2) - BLASSE (G.) et GRABMEIER (B.C.) - Luminescent Materials (Les matériaux luminescents), - 1994 Spinger.
-
(3) - DIEKE (G.H.) - Spectra and energy levels of rare-earth ions in crystals (Les spectres et les niveaux d'énergie des ions de terres rares dans les cristaux) - , 401 p., 1968, Interscience Publishers.
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(4) - BETHE (H.) - Termaufspaltung in Kristallen. (Levée de dégénérescence des termes dans les cristaux). - Ann. Physik., 3, 1929, p. 133-208.
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(5) - AUZEL (F.) - L'auto-extinction de Nd3+ : son mécanisme fondamental est un critère prédictif simple pour les matériaux minilaser. - Mat. Res. Bull. vol. 14, 1979, p. 223-231, Pergamon Press
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