Une opportunité pour les lasers visibles : les cristaux à base d'oxyde activés par des ions Tb3+ ou Dy3+

Opportunity for visible laser : oxide-based crystals activated by Tb3+ or Dy3+ ions

• Auteur / Autrice : Hengjun Chen
• Direction : Gérard Aka
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des Matériaux
• Date : Soutenance le 25/10/2018
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche de chimie Paris - Institut de recherche de chimie Paris
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Matériaux pour la Photonique et l’Optoélectronique (MPOE)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure de chimie (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Wallez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Druon, Alain Braud, Philippe Veber
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Druon, Alain Braud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie

Terbium

Mots clés libres

Terbium

Dysprosium

Croissance monocristalline

Spectroscopie optique

Laser visible

Terbium

Dysprosium

Single crystal growth

Optical spectroscopy

Visible laser

Résumé

Les lasers visibles sont nécessaire et utilisés dans large domaine d’applications. À ce jour, l’obtention de sources lasers visibles de haute qualité repose sur un processus de conversion de fréquence des lasers à base de Nd3 + ou Yb3+ émettant dans l'infrarouge. Une nouvelle classe de lasers activés par des ions Lanthanides fonctionnant directement avec des transitions d'émission dans la région spectrale visible a été développée récemment. Ces lasers ne présentent pas l'inconvénient des lasers visibles traditionnels, tels que la perte d'énergie inévitable pendant le processus de conversion de fréquence, ce qui ouvre des perspectives de recherche prometteuses. Un défi de ce sujet reste, jusqu'à présent, la génération d’émission laser efficaces utilisant des matériaux à base d'oxyde activés par des ions Tb3+ ou Dy3+. Ces travaux de thèse se concentrent sur la fabrication et l'étude des propriétés physiques d’une sélection de monocristaux à base d'oxyde activés par des ions Tb3+ ou Dy3+: Ba3Tb(PO4)3, Sr3Tb(BO3)3, TbAl3(BO3)3, Li6Tb(BO3)3, Ca4TbO(BO3)3, KTb(WO4)2, Dy:CaYAlO4, Dy:Ca4YO(BO3)3, et Dy:Ca2AlSiO7. La technique classique de croissance cristalline dite Czochralski a été utilisée pour la préparation de monocristaux et les conditions de croissance ont été optimisées. Des monocristaux de bonne qualité optique de ces composés ont été obtenus. Les propriétés thermiques en particulier celle des cristaux à base de Tb3+ ont été étudiées. La majeur partie des travaux a été concentrée sur la caractérisation de leurs propriétés optiques, y compris les indices de réfraction, les spectres d'absorption et d’émission, les paramètres de Judd-Ofelt, la dynamique de fluorescence et l'absorption de l'état excité. Les sections efficaces de transitions et les durées de vie de l'état excité des cristaux d'oxyde activés par Tb3+ se sont avérées être comparables à celles des fluorures. Le cristal Dy:CaYAlO4 conduit à de meilleures propriétés spectroscopiques pour une emission laser dans le jaune comparativement aux résultats publiés pour le cristal de Dy: YAG. Des test lasers ont été envisagés en utilisant des sources de pompage laser à base de semi-conducteurs émettant dans le bleu.

Visible lasers are useful in a variety range of fields. To date, the regime of high-quality visible lasers rely on the frequency conversion of Nd3+- or Yb3+-based infrared-emitting lasers. A new class of Ln3+-activated lasers operated directly with emission transitions in the visible spectral region has been developed recently, which do not feature the inconvenience of the traditional visible lasers, such as the inevitable energy loss during the frequency conversion process, and have promising research prospects. A challenge of this subject remains, up till now, to generate efficient laser emissions using Tb3+- or Dy3+-activated oxide-based gain materials. This PhD thesis concentrates on the fabrication and physical-property study of several selected Tb3+- or Dy3+-activated oxide-based single crystals: Ba3Tb(PO4)3, Sr3Tb(BO3)3, TbAl3(BO3)3, Li6Tb(BO3)3, Ca4TbO(BO3)3, KTb(WO4)2, Dy:CaYAlO4, Dy:Ca4YO(BO3)3, and Dy:Ca2AlSiO7. The conventional Czochralski technique was employed for the single-crystal preparation and the growth conditions were optimized. Single crystals of these compounds with good optical quality were obtained. Thermal properties of the Tb3+-based crystals were studied. The main effort was devoted to characterization of their optical properties, including the refractive index, absorption and emission spectrum, Judd-Ofelt parameters, fluorescence dynamic, and excited-state absorption. The transition cross-sections and upper-state lifetimes of the Tb3+-activated oxide crystals were found to be comparable to those of the fluorides. The Dy:CaYAlO4 crystal has better spectroscopic properties for yellow laser operation compared to the reported results of the Dy:YAG gain medium. Laser experiments were essayed using pump sources of blue-emitting semiconductor lasers.