Source laser accordable pour le moyen infrarouge : Cr2+ : ZnSe polycristallin

Tunable solid state laser for the mid-infrared : Cr2+ : ZnSe polycrystal

• Auteur / Autrice : Sandrine Herriot
• Direction : François Julien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés libres

Chrome, ions de transition métalliques

Séléniure de zinc

Résumé

Le développement de nouvelles sources laser solides, compactes, émettant dans le moyen-infrarouge (MIR) a initié l'étude des matrices II-VI dopées aux ions de transitions métallique TM. Parmi ces composés, l'ion chrome inséré dans la matrice anse ressort comme un candidat idéal pour obtenir une émission radiative à température ambiante dans le domaine spectrale du 2-3 mM. Cette thèse s'inscrit dans le cadre de développement de telles sources et plus particulièrement, elle s'intéresse dans l'étude et la réalisation de source laser, accordable, à température ambiante, pour le MIR à partir de matériau Cr2+ : ZnSe polycristallin. L'intérêt des matériaux polycristallins réside sur le coût de fabrication et les dimensions réalisables comparativement aux matériaux monocristallins. Nous avons donc élaboré des matériaux Cr2+ : ZnSe par la méthode de diffusion thermique à partir de substrats de ZnSe mono et poly-cristallin. Dans le but d'obtenir un matériau approprié à l'émission laser, les différents processus intervenant lors de cette diffusion ont été analysés: insertion du chrome dans la matrice par substitution, homogénéisation du dopage et mécanisme de recristallisation. Nous avons ainsi déterminé les paramètres gouvernant le mécanisme de diffusion du chrome dans le anse et réalisé des matériaux Cr2+ : ZnSe monocristallin et poly-cristallins à différents hauteurs de dopage en chrome (de 2. 10^18 à 5. 10^19 ions. Cm^(-3)). Par la suite, ces matériaux ont été caractérisés d'un point de vu spectroscopique. Il apparaît que la forme et la largeur des bandes d'absorption (1400-2200 nm), associées à la transitions 5T-2 → 5E de l'ion Cr2+ inséré dans le ZnSe sont peu différentes pour les matrices poly ou mono-cristallines. De même, le spectre de photo-luminescence (2000-3000 nm) mesuré à 300K, ne révèle aucune différence notable sur la forme du spectre à l'émission selon le type de matériau considéré. Par ailleurs, une caractérisation dynamique de ces matériaux indique des valeurs de temps de vie de l'état excité de l'ordre de 4 à 5 ms à 300K pour des dopages de l'ordre de 5. 10^18 ions. Cm^(-3). Enfin, l'efficacité à l'émission laser de ces matériaux a été étudiée. Dans une configuration de cavité laser identique, les efficacités laser optique-optique obtenue à partir de deux types de matériaux, mono (33%) et poly (28%) cristaux de Cr2+ : ZnSe, se sont avérés être comparables. Ce résultat est lié à la qualité optique du matériau polycristallin obtenue (grains de grande dimension) selon la procédure d'élaboration employée: Diffusion thermique. Une accordabilité en longueur d'onde entre 2. 2 et 2. 7 mM à partir de ces matériaux a également été obtenue à 300K. Nous avons ainsi démontré que les matériaux polycristallins Cr2+ : ZnSe présentent les propriétés optiques adaptées pour réaliser des sources laser opérant dans le MIR à température ambiante en compétition avec les matrices monocristallines.

Development of efficient, compact, tunable solid state laser for the mid-infrared (MIR) at room temperature has initiated the study of transition metal ion TM doped II-VI compounds. Among those compounds, chromium ion incorporated into ZnSe host crystal represent a solid state laser material allowing radiative emission at room temperature in the spectral range of 2-3 mM. This work concern the study and realization of tunable, room temperature operating, solid state laser for MIR based on Cr2+ :ZnSe polycrystal. Advantages of polycrystals are mainly based on the elaboration cost and available dimension compared to the single crystals. We have elaborated Cr2+ :ZnSe laser materials by thermal diffusion doping method using both single and poly-crystals of ZnSe. Different process involved during the diffusion were analyzed like incorporation of chromium into substitutional site, homogenization of the doping and the recrystallization process. We have thus determined parameters governing the diffusion of chromium into the ZnSe and elaborated single and poly-crystals with different concentration on Cr (since 2. 10^18 to 5. 10^19 ions. Cm^(-3)). Then, we have proceed to spectroscopic characterization of those materials. We observed no difference in the shape and bandwidth of the absorption spectrum (1400-2200 nm) associated to the optical transition 5T-2 → 5E of Cr2+, inserted either in single or poly-crystal of ZnSe. The same observation was done concerning the shape of the room temperature photo-luminescence spectra (2000-3000 nm) obtained with either single or poly-crystal of Cr2+ :ZnSe. Furthermore, a dynamical characterization of such materials indicated an excited state lifetime at 300K in the order of 4 to 5 ms for Cr concentration of 5. 10^18 ions. Cm^(-3). Finally, laser efficiency of those materials were also studied. A comparable optical-optical laser efficiency were obtained, in a same laser cavity, with both Cr2+ :ZnSe materials : single-crystal (33%) and poly-crystal (28%). This result is deeply associated to the high optical quality of the poly-crystal (large grain size) laser material obtained using our elaboration method : Thermal diffusion doping. We have also obtained with such materials a tunability between 2. 2 to 2. 7 mM at room temperature. We have thus demonstrated that Cr2+ :ZnSe poly-crystals are highly efficiency, tunable, room temperature operating, laser materials for the MIR and are in competition with Cr2+ :ZnSe single-crystals.