Étude optique de matériaux laser : Yb[indice inférieur x](Lu, Nd)[indices inférieurs 1-x]VO[indice inférieur 4]

Abstract

Les lasers émettant dans la gamme du micron sont utilisés en télécommunication, en médecine et dans plusieurs procédés industriels. De façon à étendre le domaine d'application et l'efficacité de cette technologie, les scientifiques recherchent sans cesse de nouveaux matériaux permettant l'élaboration de lasers plus performants. Depuis peu de temps, le Yb[indices supérieurs 3+] attire l'attention des scientifiques, car sa structure électronique simple (deux niveaux) et son faible défaut quantique lui confèrent de grands avantages vis-à-vis du Nd[indices supérieurs 3+], qui est présentement l'ion de terre rare le plus utilisé dans la fabrication des lasers solides. De plus, les paires d'ions Yb[indices supérieurs 3+] -Yb[indices supérieurs 3+] possèdent également un grand nombre de propriétés intéressantes en optique non linéaire. L'une d'entre elles est le doublage de fréquence. En effet, les paires d'ions ont la possibilité d'émettre dans le visible alors que les seules transitions électroniques prédites sont situées dans l'infrarouge pour un ion individuel. Ce phénomène peut s'expliquer par une émission coopérative causée soit par une interaction électrique multipôle-multipôle entre les couches 4f des ions d'ytterbium soit par un mécanisme de superéchange entre les Yb[indices supérieurs 3+] par le biais des ions d'oxygène. L'étude de cet ion et des différentes propriétés qu'il possède sont donc un champ de recherche très vaste pouvant mener à de nombreuses applications et à une plus grande compréhension de l'émission coopérative et de l'intraction de paire entre ions de terre rare. Toutefois, l'état fondamental de l'ion d'Yb[indices supérieurs 3+] possède une forte dégénérescence (8). Lorsqu'il est inséré à l'intérieur d'une matrice d'accueil, ce niveau se scinde en 4 sous-niveaux 2 fois dégénérés. Si le champ cristallin de la matrice d'accueil n'est pas assez élevé, ces sous-niveaux ne seront séparés que de quelques centaines de cm[indices supérieurs -1], donnant lieu à un peuplement thermique. Ce phénomène rend difficile l'inversion de la population et affecte grandement le rendement du laser. Les recherches sont donc tournées vers l'élaboration d'une matrice d'accueil possédant un fort champ cristallin ainsi qu'une bonne conductivité thermique tels que le LuVO[indice inférieur 4] et le NdVO[indice inférieur 4] . Ce mémoire a donc pour but d'étudier par spectroscopie Raman, par absorption infrarouge et par photoluminescence les propriétés optiques et les interactions microscopiques des échantillons Yb[indice inférieur x]Lu[indices inférieurs 1-x]VO[indice inférieur 4] et Yb[indice inférieur x]Nd[indices inférieurs 1-x]VO[indice inférieur 4] . Les mesures Raman permettent de suivre l'évolution des modes de vibrations et leur largeur à mi-hauteur en fonction du dopage en ytterbium des échantillons. Cette étude permet de déterminer si l'ajout de l'agent dopant entraîne l'apparition de défauts structurels à l'intérieur des composés. Les mesures d'absorption infrarouge et celles de photoluminescence sont réalisées de manière à déterminer l'effet du champ cristallin sur les niveaux électroniques de l'ion d'Yb[indices supérieurs 3+]. Finalement, il est important de mentionner que les paires d'ions Yb[indices supérieurs 3+] -Yb 3+ et l'émission coopérative des échantillons sont également caractérisées dans ce projet en utilisant le système d'absorption infrarouge et le système de photoluminescence (Raman-Fourier). Les résultats exposés dans ce mémoire sont très encourageant, car ils démontrent l'efficacité des matrices laser LuVO[indice inférieur 4] et NdVO[indice inférieur 4] . Dans le cas des échantillons à base de Lu, les mesures Raman ont démontré que ce type de matériau peut être dopé avec une grande concentration en ytterbium sans affecter de manière significative la structure cristalline, offrant ainsi la possibilité de confectionner des lasers-puces de grande efficacité. Les mesures d'absorption infrarouge ont permis d'identifier un grand nombre d'ions d'ytterbium en interaction d'échange pour les deux types d'échantillons étudiés. La présence de ces interactions permet de supposer que ces matériaux ont la possibilité de contribuer à une émission coopérative comme cela est démontré dans ce mémoire pour les échantillons Yb[indice inférieur x]Nd[indices inférieurs 1-x]VO[indice inférieur 4] . L'identification des niveaux électroniques a cependant révélé que le champ cristallin de ces matrices d'accueil n'était finalement pas assez intense pour séparer les sous-niveaux du fondamental de l'ion d'ytterbium avec une assez grande énergie pour annihiler le peuplement thermique. Malgré cela, ces matrices restent très intéressantes de par leurs grandes qualités structurelles et les résultats obtenus concernant spécialement l'émission coopérative. Les bandes d'émission de ces composés se sont révélées être très larges (dues principalement au forts couplage électron/phonon) offrant ainsi la possibilité de confectionner des lasers pulsés et également de contrer la dérive en température des diodes normalement utilisées pour exciter le milieu actif des lasers.