5.2 Durée de vie

Nous avons également étudié l’influence des ions ytterbium sur la durée de vie du niveau métastable ⁴I13/2 de l’erbium (niveau d’émission à 1530 nm). Les déclins de photoluminescence d’échantillons cristallisés de composition 1Er-5Yb, 1Er-10Yb, 5Er-5Yb et 10Er-10Yb sont représentés sur la figure V-18. Le déclin de l’échantillon 1Er-5Yb est proche d’un déclin mono-exponentiel, ce que nous observons également pour les échantillons 1Er-1Yb et 1Er-3Yb (non illustrés). En revanche, les déclins des échantillons 1Er-10Yb, 5Er-5Yb et 10Er-10Yb sont clairement non-exponentiels. Par ailleurs, comme nous l’avions observé pour les couches YETO, les déclins des échantillons amorphes des deux séries présentent une non-exponentialité faiblement marquée.

-3 -2 .5 -2 -1 .5 -1 -0 .5 0 0 2 4 6 8 1 0 ln ( in te n s it é n o rm a li s é e ) ( u .a .) Te m ps (ms )

Les durées de vie mesurées pour l’ensemble des échantillons sont présentées dans le tableau V-4. Dans les couches amorphes, la durée de vie reste autour de 1 ms pour tous les échantillons de la première série. Pour les échantillons de la deuxième série (5Er-5Yb et 10Er-10Yb), le déclin de photoluminescence est plus rapide que la résolution temporelle de notre banc de mesure, i.e. 0,2 ms. Dans les couches cristallisées de la première série, la durée de vie chute continûment de 7,2 ms à 4,0

Figure V-18 : Courbes de déclin de photoluminescence de couches YETO cristallisées codopées ytterbium de composition 1Er-5Yb ( ), 1Er-10Yb (X), 5Er-5Yb (O) et 10Er-10Yb (+). Les lignes continues correspondent à des déclins modélisés selon une loi mono-exponentielle.

ms à mesure que la concentration d’ytterbium augmente de 2. 10²⁰ à 2. 10²¹ ions/cm³. Pour les échantillons de la deuxième série, les durées de vie sont de 2,5 et 0,8 ms pour les compositions respectives 5Er-5Yb et 10Er-10Yb.

Er Yb Y amorphe cristallisé

1 75 2,0 7,0

1 1 74 1,0 7,2

1 3 72 1,0 5,8

1 5 70 1,1 6,2

1 10 65 1,1 4,0

5 5 66 < 0,3 (*) 2,5

10 10 56 < 0,3 (*) 0,8

(*) durée de vie inférieure à la résolution de notre banc de mesure

Proportions Durée de vie (ms)

V-5.3 Discussion

La forme des spectres des couches YETO amorphes et cristallisées contenant des ions ytterbium est identique à celle observée pour des couches YETO pures. L’ion ytterbium s’intègre donc parfaitement dans la phase pyrochlore. De plus, l’intensité de l’émission à 1530 nm est d’une manière générale plus grande que celle de couches YETO ne contenant pas d’ytterbium.

Des mesures d’intensité à 1530 nm ont été effectuées sur des échantillons de 2 mm de longueur afin de s’affranchir au mieux des problèmes de réabsorption des signaux d’émission et de réaliser des mesures comparables. Ainsi nous considérons en bonne approximation que le pompage de l’échantillon est homogène sur toute la longueur de l’échantillon. La figure V-17 montre qu’il existe une concentration optimale en ytterbium, ce qui définit une limite à l’amélioration que peut apporter cet élément. En effet, à partir d’une certaine concentration d’ions ytterbium, un processus concurrent

Tableau V-4 : Durées de vie du niveau ⁴I13/2 de l’erbium pour des échantillons YETO codopés ytterbium amorphes et cristallisés.

du transfert d’énergie simple de l’ytterbium vers l’erbium apparaît : le double transfert. Ce dernier consiste en un transfert d’énergie de deux ions ytterbium vers un ion erbium, conduisant à une émission par up-conversion sur laquelle nous reviendrons dans le paragraphe suivant. Suivant la concentration d’ions ytterbium, nous pouvons globalement nous trouver dans trois régimes. Le premier correspond à l’absence d’ions ytterbium. La section efficace d’excitation des ions erbium étant faible, l’émission infrarouge reste limitée. Le deuxième régime correspond à la présence d’ions ytterbium en concentration équivalente à celle de l’erbium et en présence d’une quantité d’erbium suffisamment faible. Le transfert d’énergie se fait principalement d’un ion ytterbium vers un ion erbium et l’intensité de l’émission infrarouge augmente du fait de la plus grande section efficace d’excitation de l’erbium en présence d’ytterbium. Le troisième régime apparaît lorsque la concentration d’ions ytterbium et/ou d’erbium est importante. Deux mécanismes de transfert d’énergie sont alors en compétition : transfert d’un ion ytterbium vers un ion erbium ou transfert de deux ions ytterbium vers un erbium. Le premier domine pour les faibles concentrations du troisième régime alors que le second est prépondérant pour les concentrations les plus fortes. En résumé, à mesure que la concentration d’ions ytterbium augmente, l’émission infrarouge augmente, atteint un optimum puis diminue. Les pertes par up-conversion sont susceptibles d’augmenter fortement avec la concentration d’ions ytterbium. Cependant, cette augmentation atteint une limite lorsque l’on se trouve dans le troisième régime correspondant aux fortes concentrations d’ions ytterbium et/ou d’ions erbium (voir §V-6). Il faut alors tenir compte des processus d’auto-extinction de concentration qui vont fortement réduire à la fois l’émission infrarouge et l’émission par up-conversion. Ce régime est illustré par les mesures effectuées sur les échantillons de la deuxième série. Pour une couche amorphe où la concentration en ions erbium et ytterbium est de 2. 10²¹ ions/cm³, l’intensité de l’émission infrarouge est quasiment un ordre de grandeur inférieure à celle mesurée pour la couche contenant 2. 10²⁰ ions erbium/cm³ et 1. 10²¹ ions ytterbium/cm³.

Les mesures de durée de vie confortent cette analyse. La durée de vie des couches amorphes de la première série (~ 1 ms) est légèrement inférieure à celle des couches amorphes ne contenant pas d’ytterbium (~ 2 ms). De plus, les déclins sont non-exponentiels. Il existe donc sûrement des processus de transfert d’énergie (erbium vers erbium, erbium vers ytterbium, up-conversion) plus importants que dans les couches ne contenant pas d’ytterbium. Ceci est partiellement confirmé par les échantillons amorphes de la deuxième série. La durée de vie de l’échantillon cristallisé contenant des concentrations de 1. 10²¹ ions/cm³ d’erbium et d’ytterbium est inférieure à 0,2 ms alors qu’elle est de 0,5 ms pour un échantillon contenant 1. 10²¹ ions erbium par cm³ sans codopage ytterbium . Pour les échantillons cristallisés de la première série, la durée de vie chute continûment de 7,2 ms à 4,0 ms. Elle passe même à 2,5 ms puis 0,8 ms pour les compositions respectives 5Er-5Yb et 10Er-10Yb. Cette chute de la durée de vie s’accompagne d’une perte de la mono-exponentialité des déclins, ce qui corrobore l’hypothèse de transferts d’énergie néfastes à l’émission infrarouge.

Par ailleurs, nous observons que l’émission des couches amorphes est plus intense que celle des couches cristallisées, ce que nous avons déjà vu pour les couches YETO ne contenant pas d’ytterbium. La première explication de ce comportement vient sans doute de la diffusion aux joints de grains qui augmente les pertes par propagation dans la couche cristallisée. Une explication complémentaire nous est donnée par la mesure des spectres d’excitation. En effet, les mesures d’émission sont effectuées sous une excitation à 977 nm. Cette longueur d’onde correspond au maximum d’excitation observé pour des couches amorphes codopées ytterbium (figure V-15). L’excitation est donc plus efficace pour une couche amorphe que pour une couche cristallisée, pour laquelle le maximum d’excitation se situe à 970 nm.