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RÉSUMÉ
Cet article présente la physique des matériaux luminescents inorganiques appliqués aux lasers (cristaux, verres, aujourd’hui céramiques transparentes) émettant dans le domaine de l’optique (ultraviolet, visible et proche infrarouge). Les raies d’émission sont soit des raies fines surtout avec les ions de terres rares pour les sources lasers à longueurs d’ondes fixes, soit des bandes larges avec les ions de transitions pour les lasers à longueurs d’ondes accordables. On décrit les tendances de l’évolution de ces sources lasers dites « tout solide » continues ou à impulsions (ns-ps-fs), pompées par des diodes lasers de puissance.
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This paper presents the fundamental physics of solid-state laser-type materials (crystals, glasses, today transparent ceramics) giving rise to emission within the optical spectral range (ultraviolet, visible, near infrared). The emission lines are either sharp lines mainly with rare earth ions for one wavelength laser sources or broad bands with metal transition ions for tuneable laser sources. We give the tendency of all solid-state CW or pulsed (ns-ps-fs) laser sources with an increasing use of high power pump diode.
Auteur(s)
-
Georges BOULON : Professeur - Institut Lumière Matière, Unité Mixte de Recherche CNRS 5306 - Université Claude Bernard Lyon1, Lyon, France
INTRODUCTION
Cet article sur la luminescence cristalline appliquée aux sources lasers est l’un des quatre articles relatifs à la présentation générale des sources lasers à l’état solide [AF 3 275], des cristaux et de l’optique non linéaires [AF 3 278] et de la génération d’impulsions lasers courtes (ns) à ultracourtes jusqu’à la femtoseconde (fs) [AF 3 282]. Le principal objectif est de décrire la physique des matériaux luminescents inorganiques appliqués aux lasers émettant dans le domaine de l’optique (ultraviolet, visible et proche infrarouge), soit des raies fines surtout avec les ions de terres rares pour les lasers à longueurs d’ondes fixes, soit des bandes larges pour les lasers à longueurs d’ondes accordables essentiellement avec les ions de transitions. De nombreux exemples de caractérisations spectroscopiques des principaux cristaux illustrent les domaines spectraux d’utilisation des lasers. Les lasers recherchés aujourd’hui sont plutôt compacts, faciles à manipuler et à transporter, continus ou à impulsions (ns-ps-fs), avec une utilisation accrue des pompages par des diodes lasers de puissance dans le proche infrarouge, pouvant aussi être associées avec des cristaux non linéaires appropriés, conduisant vers les « lasers tout solide ».
MOTS-CLÉS
matériaux lasers inorganiques céramiques transparentes lasers à impulsions lasers accordables diode de puissance
KEYWORDS
solid-state laser inorganic materials | transparent ceramics | pulsed lasers | tuneable lasers | high power diode
VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 2006 par Georges BOULON
DOI (Digital Object Identifier)
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4. Dopages par les ions terres rares
Les ions terres rares sont : Ce3+(4f1), Pr3+(4f2), Nd3+(4f3), Dy3+(4f9), Ho3+(4f10), Er3+(4f11), Tm3+(4f12), Yb3+(4f13).
4.1 Configurations électroniques
La structure électronique des ions lanthanides auxquels appartiennent les ions terres rares est [Xe]4t N où N varie de 0 à 14 du lanthane au lutétium pour les ions trivalents. Les électrons de 4f N sont responsables pour l’essentiel de leurs propriétés optiques et magnétiques.
Les spectres optiques des ions terres rares dans les solides correspondent à des transitions électroniques à l’intérieur de la couche 4f. Ils sont caractérisés par des raies fines à cause de l’effet d’écran des électrons 5s et 5p sur le champ cristallin auquel sont soumis les électrons 4f. Pour cette même raison, la position des raies d’absorption et d’émission varie peu d’une matrice à l’autre et on peut attribuer ces signaux sans ambiguïté. Par la suite nous montrerons plusieurs exemples de raies spectrales d’ions laser dans les cristaux associés à la configuration 4f N .
On peut aussi observer, dans certains cas (Eu2+, Ce3+, Pr3+) des transitions inter-configurationnelles 4f-5d. Les bandes d’absorption ou d’émission sont alors beaucoup plus larges, comme pour les ions de transition 3d, car la couche 5d subit fortement les effets du champ cristallin et leurs intensités sont considérablement plus élevées (multipliées par un facteur 1 000) puisque ces transitions se produisent entre états de parités opposés.
Nous montrons à la figure 21 les spectres d’absorption et d’émission de bandes larges dans l’ultraviolet de l’ion Ce3+ dans des cristaux de fluorures et un cristal de phosphate. L’absorption correspond aux bandes entre les 2 niveaux 2F5/2 et 2F7/2 de la configuration 4f1 et les niveaux de la configuration 5d alors que l’émission correspond aux deux bandes entre le niveau le plus bas de 5d et les deux niveaux 2F5/2 et 2F7/2 de la configuration 4f1. Comme on dispose dans ce domaine ultraviolet du laser pompe intense Nd3+: YAG...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - FABRE (C.), POCHOLLE (J.P.) - Les Lasers et Leurs Applications Scientifiques et Médicales. - Les Éditions de Physique (Paris) (1996).
-
(2) - FABRE (C.) - Les Lasers-Principes Fondamentaux. – - pp. 1-40.
-
(3) - BOULON (G.) - Matériaux pour Lasers à Solide. – - pp. 259-286.
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(4) - MONERIE (H.) - Fibres optiques dopées et applications. – - pp. 357-382.
-
(5) - BOULON (G.) - Les solides luminescents inorganiques : un dopage réussi. – - Numéro spécial de L’Actualité Chimique, no 11 et Lettre des Sciences Chimiques du CNRS, no 72 (1999) pp. 96-105.
-
(6) - KOECHNER (W.) - Solid State Laser Engineering. – - Springer,...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
###
Laboratoires – Bureaux d’études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)
Laboratoires UMR-CNRS suivants : Laboratoire Ondes et Matiere d’Aquitaine (LOMA) http://www.loma.cnrs.fr, ICMCB http://www.icmcb bordeaux.cnrs.fr/ et CELIA http://www.celia.u-bordeaux1.fr/ à l’université Bordeaux 1, Laser Mégajoule http://www-lmj.cea.fr/ CEA, CESTA, Barp,
LIPhy de l’université UJF à Grenoble, http://www-liphy.ujf-grenoble.fr/,
Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB), http://icb.u-bourgogne.fr/ à l’université de Bourgogne Dijon,
Institut Lumière Matière (ILM) http://ilm.univ-lyon1.fr/ à l’université Claude Bernard Lyon 1,
Laboratoire Charles Fabry (LCF) http://www.lcf.institutoptique.fr, Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA) http://loa.ensta.fr/, Laboratoire pour l’utilisation des lasers intenses (LULI) http://www.luli.polytechnique.fr, Laboratoire de physique des lasers (LPL) http://www-lpl.univ-paris13.fr, Matériaux pour la Photonique et l’Opto-Électronique https://www.chimie-paristech.fr/ ENSC Paris,
Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la photonique (CIMAP) http://cimap.ensicaen.fr, université de Caen,
IPCMS ...
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