gadolinium dopé ytterbium

Ca

Gd

Yb

O(BO

)

.

Le chapitre précédent nous a permis de démontrer l'aspect multifonctionnel du GdCOB:Nd et de YCOB:Nd qui conduisent à des lasers pouvant émettre soit dans l'infrarouge à 1060 nm ou 1090 nm, soit dans le domaine visible à 530,5 nm, 545 nm et autour de 460 nm.

Cependant, le néodyme n'est pas la seule terre rare luminescente à pouvoir être insérée dans les matrices de GdCOB et de YCOB. Le laboratoire s'intéresse également aux matériaux dopés par l'ion ytterbium qui apparaît de plus en plus comme un véritable substitut de l'ion néodyme pour les systèmes pompés par diode. Aussi paraît-il légitime d'envisager les mêmes interactions non linéaires d'autodoublage de fréquence et d'autosomme de fréquences avec le GdCOB:Yb.

Ces dix dernières années ont vu le développement de diodes laser capables d'émettre entre 900 et 980 nm [1, 2]. Ces diodes permettent de réaliser efficacement le pompage optique de l'ion ytterbium et d'obtenir ainsi des lasers compacts continus émettant vers 1030 nm. On peut citer dans ce domaine la commercialisation récente d'un laser compact pompé par diode à base de YAG:Yb par la société Nanolase 1_{. Ce système, basé sur le brevet d'un groupe allemand,}

permet d'obtenir 75 W TEM00 d'émission laser à 1030 nm avec un simple

refroidissement par air.

Après un bref rappel des principales caractéristiques spectroscopiques de l'ion ytterbium et de ses avantages sur le néodyme, nous présenterons l'étude spectroscopique de l'absorption et de l'émission de l'ytterbium dans la matrice GdCOB. Finalement nous aborderons la caractérisation des propriétés laser entreprises au Laboratoire.

III-1 Caractéristiques optiques de l'ion ytterbium.

simple et comporte un état fondamental 2_{F7/2 et un état excité} 2_{F5/2. Ces deux}

ions lanthanides comme le néodyme ou l'erbium, cette structure électronique à deux niveaux permet d'exclure des phénomènes parasites tels que l'absorption dans l'état excité et "l'upconversion". De plus, la configuration des niveaux d'énergie de l'ytterbium engendre un faible défaut quantique (longueur d'onde de pompe proche de la longueur d'onde d'émission laser). Par conséquent, l'énergie thermique déposée est plus faible que pour d'autres lanthanides luminescent. Si on le compare au néodyme, l'ytterbium émet dans la même gamme de longueur d'onde (vers 1030 nm) et présente un temps de vie du niveau excité environ 4 fois plus grand. Ce temps de vie beaucoup plus long permet de stocker plus d'énergie dans l'état excité.

2_F 5/2 2_F 7/2 Absorption Emission ≈ 980 nm _{≈ 940 n} m ≈ 900 nm

Figure 1: Diagramme schématique des niveaux d'énergie de l'ion ytterbium.

De plus, comme nous nous intéressons également à l'autodoublage de fréquence, signalons qu'il n'y a pas d'absorption à la longueur d'onde du second harmonique. On utilise en général des matériaux avec une concentration en ytterbium bien supérieure à celle en néodyme pour la même matrice, conduisant à des coefficients d'absorption plus élevés à la longueur d'onde de pompe.

En fait, l'un des problèmes des lasers à ytterbium était lié jusqu'à récemment (environ une dizaine d'années) à l'absence de sources de pompage compactes et efficaces. Comme nous l'avons signalé dans l'introduction, les diodes laser (à base d'InGaAs) pouvant émettre dans la gamme de longueurs d'onde absorbées par

coûts.

L'ytterbium présente trois bandes d'absorption qui se situent vers 900 nm, vers 940 nm et vers 980 nm (cf Figure 1). Cette dernière correspond à la transition mettant en jeu les deux niveaux Stark de plus basse énergie des états fondamental et excité.

En revanche, la simplicité du diagramme des niveaux d'énergie de l'ytterbium conduit à un schéma laser pseudo trois niveaux. Par conséquent, un laser ytterbium efficace devra présenter un fort éclatement des sous niveaux Stark de l'état fondamental. La majeure partie des matériaux dopés ytterbium ont un éclatement des sous niveaux Stark du niveau fondamental de l'ordre de 200-600 cm-1 _{ce qui est comparable à l'énergie apportée par l'agitation thermique à}

température ambiante (~ 210 cm-1_).

III-2 Absorption et temps de vie de l'ytterbium dans

la matrice GdCOB.

Dans une étude préliminaire, nous avons déterminé la limite de solubilité de l'ytterbium dans la phase GdCOB par diffraction des rayons X et ATD. Cette limite peut être évaluée entre 27,5% et 30% en mole. Pour ces concentrations, la diffraction des rayons X ne présente que les pics d'une phase isomorphe à la phase GdCOB et la fusion est congruente.

Pour réaliser les études décrites dans ce chapitre, nous avons élaboré au Laboratoire des monocristaux de GdCOB:Yb par la technique Czochralski. Les conditions de croissance sont semblables à celles du GdCOB non dopé. Les taux de dopage de ces monocristaux sont de 7% et de 15% dans le bain. L'analyse par absorption atomique montre que la quantité d'ytterbium réellement insérée correspond bien à la concentration visée. Ceci correspond à 3,2.1020 _ions/cm3 _pour

le taux de dopage de 7% et 6,6.1020 _ions/cm3 _{pour le taux de dopage de 15%. Les}

monocristaux ainsi obtenus sont représentés sur les Figure 2 et Figure 3 avec un exemple des échantillons extraits qui ont servi à nos études. Ces monocristaux sont transparents, de bonne qualité optique et présentent une fissure longitudinale qui sépare le cristal en deux. A la fin du monocristal, apparaissent des inclusions qui sont alignées selon des directions linéaires parallèles. La cristallogénèse doit donc être améliorée.