Les matériaux pour lasers

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Submitted on 1 Jan 1986

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Les matériaux pour lasers

D. Vivien

To cite this version:

D. Vivien. Les matériaux pour lasers. Revue de Physique Appliquée, Société française de physique /

EDP, 1986, 21 (11), pp.709-716. �10.1051/rphysap:019860021011070900�. �jpa-00245491�

Les matériaux _pour lasers

D. Vivien

U.A. 302

Chimie de la Matière Condensée », Laboratoire de Chimie Appliquée ^{de l’Etat} Solide, ENSCP,

11 rue Pierre et Marie Curie, 75231 Paris Cedex 05, ^France (Reçu ^{le 20} février 1986, accepté le 18 avril 1986)

Résumé.

Depuis la découverte de l’effet laser dans le rubis en 1960, ^un grand nombre de matériaux lasers ont été préparés. ^{En se limitant aux} monocristaux, ^{on en recense} actuellement environ 320 qui ^se partagent ^en

deux familles selon que ^leur émission laser est constituée d’une série de longueurs d’onde discrètes, ^ou qu’elle

est accordable continûment sur une certaine plage. ^Au premier type appartiennent ^{les lasers activés à} Nd3 + que le deuxième chapitre ^de l’article passe ^en revue, ainsi que ^ceux dopés ^{à d’autres} terres rares, notamment Pr3 +, Er3 +, Ho3 +, qui ^{sont discutés au} chapitre ^{trois. Le} chapitre quatre ^{est consacré aux} matériaux lasers accordables (aussi ^{dénommés lasers} vibroniques) qui peuvent être activés soit par des ^centres colorés, ^soit par des ions de transition (Cr3+ ^en particulier). ^En conclusion l’article suggère quelques ^{axes de}

recherche et développement dans le domaine des matériaux pour lasers.

Abstract.

Since the discovery, ^{in 1960,} of the laser effect in ruby, ^a number of other lasers materials have been identified. Currently ^{one knows} approximately ³²⁰ crystalline lasers which belong ^{to two families} depending ^on whether their laser emission is composed ^of several discret lines, ^{or if it is} continuously ^tunable

over a certain _range of wavelengths. Neodymium lasers which belong ^{to the first} type ^are reviewed in the second chapter, ^and those activated by ^{other rare earth} ions, principally Pr3 + , ^Er3 + , Ho3 +, ^are presented ⁱⁿ chapter ^three. Chapter ^{four deals with tunable lasers} (also called vibronic lasers) ^{which can be} activated either

by ^{colour centres or} by transition metal ions (mainly Cr3 +). ^In conclusion the paper suggest ^{a few} directions of research and development into field of laser materials.

Classification

Physics ^Abstracts

42.55

42.60

81.00

1. Introduction.

Dans les revues professionnelles d’optique, ^on

compare fréquemment l’évolution du marché des lasers à celui de l’informatique. ^Les chroniqueurs ^les plus modérés font état pour la prochaine ^décennie

d’un taux de croissance de 20 % par ^an. En effet,

dans le domaine de l’usinage industriel : découpe,

perçage, soudure, marquage, l’outil laser fait actuel- lement une percée remarquable. ^En médecine, ^le

laser intervient de plus ^en plus ^{souvent, notamment}

en microchirurgie ^et de nombreux autres secteurs

d’applications ^des lasers, tels que par exemple ^les

traitements de surface des matériaux, ^{les mesures de}

distances et de déformations, ^la reprographie, ^le

secteur militaire, les recherches sur la fusion thermo- nucléaire par confinement inertiel, l’instrumentation

scientifique, ^{etc... se} développent rapidement.

De nombreux systèmes ^{minéraux ou} organiques, ^à

l’état solide, liquide ^{ou gazeux} présentent ^l’effet

laser. Parmi ceux-ci

de par la puissance qu’ils peuvent ^{débiter sous un faible} volume, la variété des

longueurs d’onde d’émission qu’ils présentent, ^etc.-

les matériaux lasers occupent ^une place ^{de choix.}

C’est d’ailleurs dans un matériau monocristallin,

le rubis a ^{A1203 : Cr3 + ~ 1} %) ^qu’en 1960 l’effet laser fut observé expérimentalement pour la pre- mière fois (par Maiman). Dans les années qui

suivirent cette découverte, de nombreux résultats

importants ^{sur les} matériaux lasers furent publiés [1]. Citons par exemple :

-

1er laser activé aux ions de terres rares

(CaF2 : Sm2 +): ^1961,

-

1 cr laser activé au néodyme (CaWO4 : Nd3+) :

1961,

-

observation de l’effet laser dans le grenat d’yttrium-aluminium ^{activé au} néodyme (YAG : Nd) : ^{1964 ;} dans le fluorure de lithium et d’yttrium LiYF4 (YLF : Nd) : ^{1967 ; dans la} pérovskite YAlO3 (YAP : Nd) : 1969,

-

1er cristal laser autoactivé (« ^{matériau laser} stoechiométrique ») : PrCl3 et PrBr3 ^{1971, etc...}

Actuellement, d’après ^une étude récente de Kaminskii [2], ^on connaît environ 320 cristaux lasers

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:019860021011070900

710

obtenus par combinaison de plus ^de 200 matrices cristallines (surtout des solides ioniques : ^fluorures

ou composés oxygénés), ^{et d’une} vingtaine ^d’ions

activateurs. Mais la famille des matériaux lasers ^ne

se limite pas ^aux monocristaux, ^elle comprend ^aussi

une très grande variété de verres oxygénés ^ou fluorés, dopés ^notamment par des ions des lanthani- des. Quant ^aux activateurs, ^il faut aussi mentionner divers types ^{de centres} colorés, ^{créés notamment}

dans les halogénures ^alcalins, qui conduisirent ^aux

premiers lasers solides accordables ^{sur une} large plage ^de longueur ^d’onde.

Bien entendu, ^{les solides} ioniques n’ont pas l’exclusivité de l’effet laser. C’est ainsi que les semiconducteurs dopés permettent la fabrication de diodes laser de plus ^en plus variées, ^{dont les} applications ^{sont en} plein développement.

Il existe donc une très large gamme de matériaux lasers. Toutefois, ^{revenant aux solides} ioniques monocristallins, ^on s’aperçoit que certains ions acti- vateurs sont actuellement beaucoup plus utilisés que d’autres. Ainsi sur les 320 matériaux lasers recensés,

environ 290 sont activés ^aux terres rares et parmi

ceux-ci 143 aux ions Nd3 + et seulement 56 à Ho3 + ,

ion qui ^{suit le} néodyme par ordre de fréquence

d’utilisation. Le néodyme ^est donc de loin l’ion activateur le plus utilisé. C’est pourquoi ^{le 2e} chapitre ^{de cet article sera consacré aux matériaux}

lasers au néodyme. Après avoir brièvement évoqué

ensuite l’intérêt de quelques ^autres ions des lanthani-

des, ^nous discuterons dans le chapitre 4 des lasers accordables à centres colorés ou ions de transition

«

d ». Quant ^{aux lasers à} semiconducteur, qui

seront évoqués par ailleurs dans ^cet ouvrage, ^nous

ne ferons que les comparer ^{aux autres} lasers solides décrit précédemment. ^En conclusion, ^{nous tenterons}

de dégager quelques domaines dans lesquels, ^selon

nous, l’effort de recherche et de développement ^doit

être intensifié.

2. Les matériaux laser au néodyme.

Un matériau laser est le résultat d’une étroite

symbiose ^{entre une matrice et un} ion activateur.

2.1 L’ION ACTIVATEUR Nd3 + .

Plusieurs facteurs

concourent à faire du néodyme le meilleur ion activateur laser [3] pour de nombreuses applications [4].

* Comme pour ^tous les ions terres rares, de

configuration électronique 4fn 5s2 5p6, la ^{couche 4f}

du néodyme ^est écrantée par les électrons ^externes

5s, 5p. ^{L’effet du} champ cristallin se fait donc

beaucoup ^{moins sentir sur les « électrons} optiques »

des lanthanides _que ^sur les électrons d par exemple.

Il en résulte que la position ^des barycentres ^des niveaux 2S + 1 Lj ^{de la} configuration ^{f3 de Nd3 + varie}

peu d’une matrice à l’autre de ^sorte que la longueur

d’onde de l’émission laser principale ^{de Nd3 + est} toujours voisine de 1,06 03BCm.

De plus l’élargissement des niveaux électroniques,

par couplage ^avec les vibrations de réseau ainsi que par la distribution du champ cristallin de site à site,

est faible et les raies de fluorescence (auxquelles

sont associées l’effet laser) ^étroites.

*

Des 41 niveaux 2s + l Lj issus des 364 microétats de la configuration ^{4f3 du} néodyme trivalent, ^{il n’en}

existe pratiquement qu’un ^seul qui soit fluorescent

[1], ^c’est le niveau 4 F3/2 (Fig. 1). ^De plus, ^{l’une des}

4 transitions de fluorescence possibles (selon ^le

niveau terminal), ^à partir ^de 4F3/2 ^est beaucoup plus

intense que les 3 ^autres. On dit que la transition

4F3/2

4111/2 présente ^un rapport ^de branchement

(« Branching ^ratio ») ^élevé (Fig. 1). ^{Notons toute-}

fois qu’à ^{côté de cette} transition responsable ^des

Fig. ^1.

Schéma des principaux ^niveaux d’énergie ^de

l’ion Nd3 +. Celui-ci présente 5 transitions intenses en

absorption (figurées par des flèches verticales) ^{et 3 transi-}

tions en fluorescence à partir ^{de l’état} 4F3.2. ^{Les nombres}

entre parenthèses ^{sont les} rapports de branchement (pour

YAG :Nd) correspondant ^{aux 4} niveaux terminaux possi-

bles pour la florescence. ^La transition figurée ^en pointillé correspond ^{à un} pseudosystème ^{laser à 3 niveaux.}

[Sketch of the first energy levels of Nd3 + ion. Nd3 + présent ^five strong absorption transitions (depicted by

vertical arrows) and 3 fluorescence transitions from the

4F3,2 level. Numbers between brackets are the branching

ratio (for YAG :Nd) corresponding ^{to the four} possible

terminal levels for fluorescence. Transition depicted by ^a

dotted line corresponds ^{to a} pseudo-three-level-laser sys-

tem.] ]

émissions laser des matériaux dopés ^au néodyme

autour de 1,06 03BCm, ^on peut aussi observer l’effet laser associé à la transition 4F312

4113/2 ^{centrée vers}

1,32 itm. ^Celle-ci correspond ^{à un maximum de} transparence des fibres optiques ^{de silice ce} qui ^a pu faire penser à l’utilisation des lasers ^au néodyme

dans le domaine des télécommunications. Cependant

l’intensité de l’émission laser à 1,32 03BCm n’est environ que le cinquième de celle à 1,06 jim.

*

Tant à 1,06 qu’à 1,32 03BCm, les lasers au néodyme

fonctionnent selon le principe dit à 4 niveaux

(Fig. 2), ainsi dénommé parce que les niveaux Concernés par le pompage optique ^du matériau, ^et

par l’émission laser ^sont différents. Rappelons que par rapport ^au laser à 3 niveaux (type rubis, Fig. 2),

les lasers à 4 niveaux présentent ^{un rendement et}

une puissance beaucoup plus élevés ainsi qu’un ^seuil

de pompage inférieur. Ils peuvent ^{en outre aussi} bien fonctionner en régime continu que pulsé [5].

* L’ion néodyme présente ^{5 massifs} d’absorption

relativement intenses, ^{dans le visible et le} proche infrarouge (Tableau I), domaine dans lequel ^l’émis-

sion des lampes ^xénon utilisées pour le pompage

optique des lasers est intense. Le niveau métastable

4F3/2 ^{à une} durée de vie de 100-500 _03BCs, valeur élevée pour ^un niveau d’ions des lanthanides. Les phénomè-

nes d’autoextinction [5] ^{et de} réabsorption ^dans

l’état excité sont moins sévères pour le néodyme que pour d’autres ^{terres rares.} L’existence d’une forte

absorption ^du néodyme ^{vers 750 nm} permet ^la coactivation de certains matériaux lasers au néodyme

par le chrome trivalent (cf. § 2.3). Enfin la valence 3 du néodyme ^est la seule stable. Il n’y ^a donc pas de

problèmes de variation du degré d’oxydation ^de

l’activateur au cours de l’élaboration des matériaux lasers.

2.2 LA MATRICE LASER.

Les matériaux lasers au

néodyme ^se distinguent ^{les uns des autres} par la nature de leur matrice. Celle-ci doit présenter ^un

certain nombre de caractéristiques :

* Posséder un cation partiellement substituable par le néodyme (même taille, ^{et de} préférence ^même charge).

* Etre propice à l’élaboration sous forme mono-

cristalline (fusion congruente) ^{ou vitreuse.}

Fig. ^2.

Schéma des transitions électroniques a) ^{dans un} système ^{laser à 3 niveaux} A1203:Cr3 + ; b) ^{dans un} système

laser à 4 niveaux, YAG:Nd3 + . En a) l’inversion de

population requiert l’excitation d’au moins la moitié des ions Cr3 +. En b) ^{celle-ci est obtenue} beaucoup plus

facilement puisque le niveau terminal 4111/2 ^{n’est pas}

peuplé.

[Sketch ^of the electronic transitions, a) ^{for a} three levels laser : A1203:Cr3 ^{+ , b) for a} four levels laser : YAG:Nd3 + . In case a) population ^inversion requires excitation of at least one half of the Cr3 + ions. In case b) it is much more

easy ^to obtain since the terminal level 4111/2 is ^not

populated].

* Ne pas contenir d’éléments susceptibles ^de jouer le rôle de piège pour l’excitation, ^{ou d’éteindre}

la fluorescence du néodyme ; ^ce qui ^se produit fréquemment ^en présence d’ions à couches d ou f

incomplètes.

Tableau 1.

Principales ^bandes d’absorption ^du néodyme trivalent dans le visible et le proche LR., ^et forces

d’oscillateur correspondantes ^pour NdPs04.

[Main absorption ^{bands of} neodymium ion in the visible and rear infrared regions, ^and corresponding ^oscillator

strength ^for NdP5O4.]

712

*

Avoir une conductivité thermique ^{élevée ainsi} qu’une variation dn/di de l’indice de réfraction ^avec la température aussi faible que possible.

* Offrir au néodyme ^{un site ne} présentant ^{pas de}

centre d’inversion pour que les transitions optiques,

de type dipolaire électrique, soient aussi intenses que possible grâce ^au mélange ^des configurations ^4f

et 5d, ^de parité opposée.

* Soumettre l’ion Nd 3, à un champ cristallin pas trop fort de manière à limiter les phénomènes

d’autoextinction de la fluorescence par interactions entre 2 ions néodyme (S) ^et (A) ^voisins [5] ^{selon le}

schéma :

et autoriser un fort dopage de la matrice.

2.3 AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS ^DE QUELQUES MATÉRIAUX LASERS ACTIVÉS ^AU NÉODYME.

* Le grenat d’yttrium ^aluminium Y3Al5O12 (YAG :Nd)

C’est actuellement pratiquement ^le seul matériau laser monocristallin activé au néodyme utilisé dans les dispositifs commerciaux [1, 3]. ^Ce quasi-mono- pole provient ^{notamment de ce} qu’il présente ^une

conductivité thermique ^{et une section efficace}

d’émission stimulée élevée, ^{une structure} cubique,

et que ^sa cristallogénèse ^est maintenant bien maîtri- sée. Il présente cependant ^certains inconvénients :

ségrégation ^du néodyme importante ;

^{effets de}

coeur » à la cristallogénèse ; forte autoextinction par concentration.

*

La pérovskite d’yttrium YAlO3 (YAP :Nd)

Ce matériau est plus ^{facile à élaborer sous forme}

monocristalline que le YAG ; ^son émission laser est

polarisée (structure orthorhombique), ^{mais sa sec-}

tion efficace d’émission laser est 2 fois plus ^faible

que celle du YAG ^{et ses} propriétés thermiques ^sont anisotropes.

* L’hexaaluminate de lanthane-néodyme

Ce matériau de structure type magnétoplombite

découvert dans notre Laboratoire [6] présente ^des performances ^laser [7, 8] comparables ^{à celles du}

YAG :Nd. En outre, par rapport ^{à ce} dernier, ^le

LNA présente ^un certain nombre d’avantages : pas de ségrégation ^du néodyme ; température ^{de fusion} plus ^basse (1 810 ^{°C au} lieu de 1 940 °C) ^{d’où une}

moindre usure des creusets d’iridium utilisés pour le

tirage des monocristaux par la méthode Czochral-

ski ; produits ^de départ ^meilleur marché ; ^faible

autoextinction de la fluorescence donc possibilité

d’atteindre des taux de dopage ^élevés.

En outre le LNA présente ^une plage d’accordabi- lité significative ^{autour de ses deux} longueurs

d’ondes d’émission laser associées à la transition :

4F3/2 -+ 4I11/2 : ^{1,054 et 1,082 ktm [8] qui encadrent}

la longueur d’onde laser principale : 1,064 ktm du YAG :Nd. L’émission laser principale ^{du LNA à} 1,054 03BCm ^est particulièrement ^bien adaptée ^au

déclenchement de l’effet laser dans les verres phos- phates ^et fluorophosphates : ^{Nd 3,} utilisés dans les chaînes lasers pour l’étude de la fusion thermonu- cléaire contrôlée. Quant à l’émission laser à

1,082 03BCm, ^elle permet

compte ^{tenu de son} accordabilité

de réaliser la polarisation ^nucléaire

de l’hélium 3, ^ce qui peut avoir de nombreuses

applications ^{notamment en} physique ^nucléaire [8].

Les inconvénients du LNA résident surtout dans

sa structure anisotrope (hexagonale) ; ^{et dans ses} caractéristiques thermiques ^moins favorables _que celles du YAG.

* Le fluorure de lithium et d’yttrium LiYF4 (YLF :Nd)

Il fond à 820 °C, température plus basse que celle des oxydes, ^ce qui ^{facilite son} élaboration sous

forme monocristalline (malgré ^{l’absence de}

congruence à la fusion). ^{Il se} caractérise aussi [9] par

un dn/dt particulièrement ^{faible et} par des longueurs

d’onde d’émission laser : 1,047 ^et 1,053 03BCm, légère-

ment différentes de celles du YAG. En revanche, ^il

est fragile, ^{tendre, son inertie} chimique ^{est faible et}

ses performances ^{laser sont} sensiblement moins élevées que celles du YAG.

*

Les verres lasers

Ils présentent l’avantage, par rapport ^{aux mono-} cristaux de permettre l’élaboration de pièces ^beau-

coup plus grosses, d’où la possibilité de stocker une

énergie beaucoup plus importante [10]. ^{Comme ils} présentent des raies de fluorescence plus larges que celles des solides cristallins ; ^ils peuvent délivrer des

impulsions ^laser plus ^courtes que ^ces derniers. En

revanche, ^ils possèdent ^une conductivité thermique

10 fois plus faible que celle des monocristaux, ^ce qui impose ^une cadence de fonctionnement très lente.

Ils ont aussi un rendement plus faible que ^ces derniers.

* Le grenat ^de gadolinium-gallium-scandium Gd3SC2Ga3O12 (GSGG :Nd, Cr)

Ce matériau, découvert très récemment [11],_ a ^la

même structure que le YAG. Toutefois, du fait de l’accroissement des distances anions-cations _provo-

qué par les différentes substitutions, ^{le GSGG se} caractérise _par ^un champ cristallin plus faible. Il ^en résulte la possibilité de coactiver le matériau par des ions c2 +. En effet, ceux-ci absorbent fortement la lumière des lampes ^Xe utilisées lors du pompage

optique ^{du matériau, et se trouvant en} champ

cristallin faible, ^se désactivent sur le niveau ’4T2 ^(cf.

paragraphe 4.2) qui permet ^{un transfert} d’énergie

résonant vers le néodyme. ^{Il en résulte un rendement}

de l’émission laser continue (par rapport ^{à la} puis-

sance électrique incidente) de 2 à 3 %, ^contre

environ 1 % pour le YAG.

*

On pourrait ^encore mentionner beaucoup

d’autres matériaux lasers au néodyme que le lecteur

pourra ^retrouver dans la compilation effectuée par Kaminskii [1]. Citons pour terminer les composés

«

autoactivés _», dits aussi

lasers stoechiométri- ques » [12] ^dans lesquels ^{l’ion Nd 3’ est l’un des}

constituants du cristal, ^{et non le} substituant d’un autre ion du réseau. Ces composés peuvent ^donner des émissions laser intenses sous un faible volume

puisque ^{leur teneur en} néodyme par unité de volume est 30 à 50 fois plus élevée que celle du YAG.

3. Les lasers activés aux autres terres rares.

Plusieurs éléments de la famille des lanthanides, qui

donc comme Nd 3, présentent des raies de fluores-

cence étroites, peuvent ^{être utilisés comme activa-}

teur de l’effet laser dans les solides. Ces ions se

caractérisent en général par ^un nombre de

«

canaux » d’émission laser élevé. Ainsi, pour les ions lanthanides (autres que Nd3 +) ^les plus fréquem-

ment utilisés [1, 2] ^on connaît actuellement 13 transi- tions laser pour Ho3 +, 12 pour Er3 +, 10 pour Pr3 +

et 4 pour Tm3 + . L’intérêt de ces ions réside surtout dans les longueurs ^d’ondes particulières qu’émettent

les matériaux qu’ils ^activent (Fig. 3). ^A titre d’exem-

ple, ^on peut signaler ^{Ho3 + et Er3 +} qui présentent

chacun une transition laser (correspondant respecti-

vement à 51 6

51 7 ^et 4I11/2 ~ 41 13.2) ^{vers 3 03BCm. Cette}

longueur ^{d’onde est} bien absorbée par l’eau ^et les molécules contenant des groupes -OH [2]. ^On peut donc envisager d’utiliser des lasers à H03 , ou Er3 +

pour réaliser des traitements de séchage ^en surface,

ainsi qu’en chirurgie ^laser, biotechnologie, ^{etc. De}

tels lasers pompés par lampe ^{xénon et} fonctionnant à

température ambiante, permettent déjà d’atteindre des rendements de l’ordre du pour-cent.

D’autres transitions lasers, telles que celles du

praséodyme [2] situées dans le visible (région ^du jaune-vert ^{et du} rouge) ^{et non} plus ^dans l’infrarouge, peuvent également ^se révéler très intéressantes. En

effet, ^{dans ces domaines} spectraux, ^{on ne} dispose actuellement que des lasers à gaz ^{et à} YAG :Nd doublé dont les puissances ^{sont limitées.}

Les difficultés le plus ^souvent rencontrées avec ces

divers ions activateurs résident dans la faible effica- cité du pompage optique, ^la distribution de la luminescence sur de nombreuses transitions, ^le temps de vie de l’état excité fluorescent relativement court, l’autoextinction de la fluorescence et la réab-

sorption ^{de la} longueur ^{d’onde laser,} le fonctionne- ment à température inférieure à l’ambiante...

La solution de ces problèmes passe par la connais-

sance des phénomènes de transferts d’énergie ^dans

ces matériaux ; par la coactivation ^avec d’autres ions

susceptibles d’accroître l’efficacité du pompage opti-

que par transfert d’énergie ^et par ^un choix judicieux

de la matrice notamment pour limiter l’autoextinc- tion et la réabsorption de la fluorescence.

4. Les matériaux _pour lasers accordables.

Si les matériaux activés aux terres rares donnent des rayonnements ^laser particulièrement ^{intenses, ils}

souffrent en revanche, pour certaines applications,

d’un manque d’accordabilité, ^{celle-ci ne} dépassant

pas quelques ^dizaines d’angstroms ^{dans le meilleur}

des cas [8]. ^{Pour accroître} celle-ci, il faut s’adresser à des composés présentant des raies de fluorescence

Fig. ^3.

Principales transitions lasers observées d’après (1, 2) ^dans les matrices oxydes pour les ions de terres rares

(autres ^que Nd3 +) ^les plus ^utilisés.

[Main ^laser transitions observed, according ^to (1, 2), ⁱⁿ oxide matrices activated with the most frequently ^{used rare earth}

ions (other ^than Nd3+).]

714

larges ^à l’intérieur desquelles ^on pourra déplacer

l’émission laser au moyen d’un système dispositif (prisme, réseau...) placé dans la cavité.

De tels systèmes fonctionnant selon le principe ^du

laser à 4 niveaux (Fig. 2) existent. Mais à la diffé-

rence du néodyme, le niveau terminal de l’émission laser n’est pas ^un niveau électronique ^{excité, mais un}

niveau vibrationnel excité de l’état électronique

fondamental. Pour cette raison, les lasers accorda- bles sont aussi dénommés lasers vibroniques.

L’obtention de raies de fluorescence larges ^nécessite

que les états électroniques de l’activateur soient fortement couplés ^aux phonons du réseau. C’est le

cas pour les ^centres colorés créés dans les solides par coloration additive, électrolytique ^{ou radiative} [13, 14] ^et pour les ions de transition

d » introduits

comme dopants ^en substitution d’un élément du réseau.

4.1 LES LASERS A CENTRES COLORÉS. - Les centres colorés ont été à l’origine ^des premiers ^matériaux

lasers vibroniques. Les solides peuvent présenter

une grande variété de centres (Fig. 4) qui ^d’ailleurs

se transforment souvent les uns dans les autres par recuit ou éclairement du matériau [13]. ^Les plus

utilisés actuellement dans le domaine des lasers sont les centres FA : ^{1 électron} piégé ^{dans une lacune}

Fig. ^4.

Quelques ^{centres colorés} fréquemment ^rencon-

trés dans les matériaux lasers vibroniques : ⁰ anion,

0 cation, 0 impuretés cationiques, D ^lacune anionique.

[Some ^of the usual color centres for vibronis lasers

materials, ⁰ anion, cation, 2022 cationic impurity,

0 anionic vacancy.] ]

anionique (centre F) dont l’un des cations voisins est substitué par ^une impureté ^{de même valence} (Fig. 4)

et les centres F2 : 1 électron associé à 2 lacunes

anioniques ^voisines (Fig. 5). Les matrices sont en

général des monocristaux d’halogénures ^alcalins.

Fig. ^5.

Spectres d’absorption ^{et de} fluorescence du centre F+2 ^{dans KCI} :Na. Le laser correspondant peut ^être pompé par la longueur ^d’onde 1,06 itm d’un laser à YAG- Nd. Son domaine d’accordabilité est représenté par le segment ^d.

[Absorption ^and fluorescence spectra ^of F2 ^{centre in}

KCI :Na. A laser based on this system ^{can be} pumped by

the 1.06 _J..Lm wavelength ^{of a YAG} :Nd laser. Its tunability

range is depicted by ^the

^{d »} segment.]

A titre d’exemple, ^la figure ⁵ présente ^schémati- quement ^les spectres d’absorption ^et d’émission des centres F2 ^dans KCI :Na. Dans ces cristaux, ^la présence ^{de sodium a} pour effet de

stabiliser » le centre F2’ ^sans que l’on sache d’ailleurs ^exactement où se localise cet ion dans le voisinage du défaut. Ce dernier présente ^{une bande} d’absorption ^intense (force d’oscillateur ~ 0,2) ^{dans le} proche infrarouge

et peut ^être pompé ^{par un} laser à YAG :Nd à

1,06 03BCm. Compte-tenu ^{du fort} décalage ^{de Stockes}

l’émission laser est déplacée ^vers l’infrarouge par

rapport ^à l’absorption ^{et est} accordable continûment de 1,6 ^à 1,9 p,m environ.

Le rendement de conversion de l’énergie ^{du laser}

de pompage ^est d’environ 20 %. En choisissant convenablement le centre coloré, ^on peut pratique-

ment générer n’importe quelle longueur ^{d’onde laser} depuis ^le proche infrarouge jusqu’à ^{3 p,m environ.}

Cependant les matériaux lasers à centres colorés sont fragiles (halogénures alcalins) ^et présentent ^une

durée de vie limitée. Ils doivent en outre être maintenus à basse température ^pour pouvoir ^fonc-

tionner (le ^niveau vibronique terminal de la transi- tion laser ne doit pas être peuplé) ^et pour éviter le blanchiment ^des centres. Pour cette même raison, ^ils

ne peuvent ^être pompés ^{par des} lampes ^{à arc xénon,}

ce qui nécessite le recours pour ^ce faire à un autre laser.

4.2 LES LASERS A IONS DE TRANSITION

d ». - Ces inconvénients justifient les recherches actuelles

sur ies matériaux lasers activés aux ions de transi- tion [15] qui ^sont d’utilisation plus aisée. L’activateur le plus étudié actuellement est sans doute l’ion

Cr3 + en site octaédrique. L’allure des spectres ^de fluorescence de ce dernier dépend de la force du

champ cristallin auquel ^{il est soumis} (mesurée par le

paramètre ^de champ cristallin Dq), ainsi que de la

répulsion interélectronique ^entre les 3 électrons de la couche « d » de cet ion (mesurée par le paramètre

de Racah B). ^{Il est} commode, pour discuter l’influence de ces paramètres [14] d’utiliser le dia- gramme de Tanabe-Sugano associé à la configuration électronique d3, _qui ^donne _l’énergie ^{des termes de}

l’ion Cr3 + ^en symétrie octaédrique ^en fonction du rapport Dq/B caractéristique de la matrice dans

laquelle ^{il se trouve} (Fig. 6). ^{Sur ce} diagramme,

l’intersection des courbes représentatives ^{des éner-} gies des niveaux électroniques 2E ^et 4T2 ^se produit

pour Dq/B = 2,3. ^On peut ^alors distinguer ^{trois cas} (Fig. 6) :

-

Dq/B > 2,3 : champ cristallin fort. Le niveau fluorescent est le niveau 2E. Celui-ci est peu sensible

au champ cristallin, ^les raies de fluorescence sont fines et il n’y ^a pas d’accordabilité. C’est le ^cas du rubis.

-

Dq/B ^{2,3 :} champ cristallin faible. La fluo-

rescence provient ^{du niveau} 4T2, lequel ^{est fortement} couplé ^au réseau. Le spectre d’émission est constitué d’une bande large (Fig. 6b). ^{C’est le cas} par exemple

de KZnF3:C¡3 + [15] qui permet de réaliser des lasers accordables sur plusieurs centaines de nano-

mètres.

-

Dq/B

2,3. Les niveaux excités 2E et 4T2 ^sont

en équilibre thermique ^et donnent chacun leur propre fluorescence (Fig. 6b), le niveau 2 E - de durée de vie longue par rapport ^au 4T2 - ^{servant de}

niveau de stockage. ^C’est typiquement ^{le cas de}

l’alexandrite BeA1204, premier laser commercial activé aux ions de transition, qui peut donner selon les conditions d’accord de la cavité l’effet laser, ^{soit à} partir ^{du niveau} 2E, ^{soit à} _partir du niveau 4T2

comme pour KZnF3, ^{mais avec toutefois une} plage

d’accordabilité plus faible que dans ^ce dernier cas

(Fig. 6).

On peut aussi réaliser des lasers accordables avec

d’autres ions de transition (Ni2 + , ^{Col + ,} V2 +), ^ou

même des terres rares (Ce3 + , Sm2 +) ^présentant

des transitions interconfigurationnelles (5d, 4f), ^ce qui permet ^d’obtenir l’accordabilité sur différentes

plages ^de longueur d’onde. Très récemment est apparu un nouveau matériau laser accordable, ^c’est aAl203:Ti [15]. Du fait de la structure électronique

très simple de l’ion activateur Ti3 + et de la conducti- vité thermique élevée de la matrice, ^{le laser à titane-}

Fig. ^6.

a) Diagramme ^de Tanabe-Sugano ^{du chrome}

trivalent en symétrie octaédrique (qualitatif). ^{Les vertica-}

les repérées par les chiffres [1-3] correspondent ^{à 3} types de situation caractéristiques ^{de l’ion Cr3 + . Les} transitions observées en absorption ^à partir ^du fondamental sont

figurées par ^les flèches simples ^{et celles observées en}

fluorescence _{par les} flèches doubles. b) Spectres ^{de fluo-}

rescence (schématiques) correspondants [1] KZnF3:Cr3 + ;

[2] BeAl2O4:Cr3

(alexandrite) ; [3] A1203:Cr3 + ^(rubis).

[a) Tanabe-Sugano diagram (qualitative) ^{for Cr3 + in}

octahedral symmetry. Vertical bars labelled (1), (2) ^and (3) correspond ^{to three} characteristic situations of the chromium ion. Simple ^arrows represent ^the absorption

transitions from the ground ^state and double arrows the observed fluorescence transitions. b) Associated fluores-

cence spectra (oversimplified) : [1] KZnF3:Cr3 ^{+ ,} [2]

BeAL2O4:Cr3+ (alexandrite), [3] Al2O3:Cr3 + (ruby)].

saphir paraît ^très performant. ^{Il est} accordable entre 660 et 990 nm.

Les lasers vibroniques possèdent ^{de nombreuses} applications potentielles, ^notamment dans l’instru- mentation scientifique (spectroscopie) et surtout dans les systèmes ^LIDAR (Light Detection And

Ranging) permettant, par exemple, l’analyse ^de l’atmosphère à distance...

5. Les lasers à semiconducteur.

Avec les lasers à semiconducteur, ^dans lesquels

l’émission de photons ^se produit lors de la recombi-

naison d’électrons et de trous à une jonction p-n, ^on

atteint le grand degré ^de miniaturisation requis pour

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l’optique intégrée. ^On s’affranchit aussi du pompage

optique, puisque l’inversion de population ^entre

bande de conduction et bande de valence est réalisée par application d’une tension électrique. ^{Outre les} applications dans le domaine des télécommunica- tions optiques, les diodes lasers ont de nombreuses autres utilisations dont certaines bien connues du

grand public : lecture du « code barres » aux caisses des supermarchés, platines

compactes » pour dis- ques ^à lecture laser.

Les lasers à semiconducteur sont évoqués ^dans

d’autres contributions à ce colloque. ^{Je me bornerai}

donc à renvoyer le lecteur ^{à ces} articles, ^ainsi qu’à quelques ^{mises au} point ^récentes [16, 17].

6. Conclusions.

Au terme de cette rapide évocation des principales catégories ^de matériaux pour laser, ^on peut dégager

un certain nombre de pistes de recherche et dévelop- pement ^en science des matériaux qui pourraient

déboucher sur une amélioration de caractéristiques déjà ^{connues, ou sur la mise en} évidence de nou- veaux types de lasers solides.

Dans le domaine des matériaux activés aux terres rares, il convient de rechercher de nouvelles matrices pour accroître les puissances, améliorer les rende- ments, abaisser les seuils d’excitation. On peut ^aussi attendre des développements intéressants dans le

domaine des matrices lasers à propriétés ^{non linéai-}

res, pour générer directement par exemple ^{le second} harmonique de la transition laser de l’ion activateur.

Il en va de même pour les lasers de formes géométri-

ques ^autres que le cylindre qui pourraient remplacer

le traditionnel

barreau laser ». Citons les plaques (« Slabs ») pour les fortes puissances ; ^{les fibres et}

les couches minces pour l’optique intégrée.

Dans le domaine des lasers vibroniques, ^{la recher-}

che doit s’orienter vers la découverte de systèmes ^à

centres colorés stables et pouvant ^{donner l’effet} laser à température ^ambiante (matrices oxydes...).

Quant ^{aux matrices et aux} ions de transition pour lasers vibroniques, ^{on est} loin d’en avoir fait l’inven- taire. Notons par exemple, qu’à ^notre connaissance il n’existe aucun laser vibronique à ion de transition dans la région centrale du spectre ^visible.

Toutefois, ^les progrès dans le domaine des maté- riaux pour lasers ^restent subordonnés, ^d’une part ^à

une meilleure connaissance de la cristallochimie des matrices et une plus grande maîtrise des techniques

de cristallogénèse, ^{et d’autre} part ^{à un} approfondis-

sement des études de dynamique des états excités ainsi que des processus de transfert d’énergie ^dans

les lasers solides.

Remerciements.

Je remercie Mesdames Serreau et Simons pour l’aide qu’elles ^m’ont apportée ^{dans la} préparation ^{de cet article.}

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