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 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 (Er³⁺), 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 (Pr³⁺) 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.