Croissance et caractérisation de chlorures et bromures monocristallins dopés par des ions de terres rares pour l’amplification optique dans l’infrarouge moyen

Crystal Growth and Spectroscopic characterization of chloride and bromide single crystals doped with rare earth ions for the mid infrared amplification

• Auteur / Autrice : Alban Ferrier
• Direction : Richard Moncorgé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Caen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert d'énergie

Terres rares

Lasers à infrarouges

Croissance cristalline

Spectroscopie

Lasers à solide

Bromures

Chlorures

Résumé

Ce travail concerne l’étude de matériaux monocristallins à basses énergies de phonons, dopés par des ions de terres rares pour la réalisation de lasers solides pompés par diodes et émettant dans l’infrarouge moyen. Pour cela des cristaux purs et dopés (Er3+ou Pr3+) de KPb2Cl5 et Tl3PbX5 (X=Cl, Br) ont été élaborés par la méthode de Bridgman-Stockbarger. Ces matrices non hygroscopiques et à fusion congruente présentent des transitions de phase lors du refroidissement qui ne limitent cependant en rien l’élaboration de cristaux de taille centimétrique. L’étude spectroscopique des matériaux dopés par l’ion Er3+ a été effectuée à haute comme à basse température. Il a ainsi été possible de mettre en évidence que ces systèmes présentent des temps de vie de fluorescence et des sections efficaces de gain favorables à une émission laser autour de 4,5 µm. Il a été également démontré que les processus d’« up-conversion » par absorption dans les états excités des ions Er3+ à la longueur d’onde de pompage optique comme les processus de transferts d’énergies entre les ions n’entraînent pas de pertes optiques significatives pour le système laser. Les paramètres ainsi obtenus ont alors été utilisés pour construire un modèle et simuler le fonctionnement de ce système laser en présence d’un pompage par diodes à 800 nm. L’étude spectroscopique de l’ion Pr3+ dans différents matériaux a enfin permis de mettre en évidence des sections efficaces d’émission élevées associées à des temps de vie importants favorables cette fois à une émission laser autour de 5 µm.

This work is devoted to the study of low phonon energy crystals doped with rare earth ions for the realisation of diode-pumped solid state laser sources emitting in the middle infrared. For that purpose, pure and (Er3+ or Pr3+) doped single crystals of KPb2Cl5 and TlPbX5 (X=Cl, Br) have been elaborated by using the Bridgman-Stockbarger method. These non-hygroscopic and congruent-melting materials have been found to exhibit phase transitions during the cooling process but which do not limit the elaboration of centimeter-size single crystals. The spectroscopic study of the Er3+ doped compounds has been performed both at high and low temperatures. It thus appears that these systems present long fluorescence lifetimes and relatively large gain cross sections favorable for a laser emission around 4. 5 µm. It has been demonstrated further that the up-conversion processes resulting from excited-state absorptions of the Er3+ ions around the pumping wavelength as well as the energy transfer processes between the Er3+ ions do not lead to significant optical losses for the laser system. The derived parameters then have been used to build a model and simulate the laser operation of the system following diode pumping around 800nm. In the end, the spectroscopic study of the Pr3+ ion in various materials has allowed us to evidence large emission cross sections associated with long fluorescence lifetimes, now favorable to a laser emission around 5 µm.