Etude des propriétés spectroscopiques des ions erbium et thulium trivalents dilués dans des cristaux de KY3F10

Spectroscopic properties study of the trivalent erbium and thulium ions doped KY3F10crystals

• Auteur / Autrice : El-Haine Boulma
• Direction : Jean-Pierre Jouart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Reims
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Mortier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Mortier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie laser

Transfert d'énergie

Thulium

Erbium

Mots clés libres

Avalanche de photons, Emission anti-Stokes

Résumé

La conversion de lumière vers les hautes fréquences s'effectue selon trois types de mécanismes d'excitation: absorptions successives de plusieurs photons, transfert d'énergie entre les ions dans un état excité et l'avalanche de photons. Ce dernier processus est un effet collectif basé sur un transfert d'énergie à partir d'un ion à l'état excité vers un ion à l'état fondamental. Sous certaines conditions, ces transferts peuvent conduire à une réaction en chaîne entraînant une importante augmentation de l'intensité de la fluorescence anti-Stokes. L'objet de ce travail est l'étude systématique de la fluorescence anti-Stokes des ions de terres rares trivalents dans les cristaux du type fluorite. Les études que nous présentons ont été effectuées en utilisant une excitation monochromatique autour de 650 nm fournie par un laser à colorant. Nous avons étudié plus particulièrement les ions erbium et thulium dilués dans les monocristaux de KY3F10. Cette étude nous a permis de déterminer les sous niveaux Stark des différents multiplets 2S+1LJ des ions Er3+ et Tm3+ à la température de l'azote liquide avec une très bonne précision. Nous avons aussi exposé les résultats relatifs à la dynamique de la fluorescence anti-Stokes en analysant la variation de l'intensité de la fluorescence en fonction de la puissance d'excitation et en effectuant des mesures de durées de vie. Nous rapportons aussi les résultats d'une étude spectroscopique et dynamique des émissions anti-Stokes du même cristal de KY3F10 dopé par des ions Tm3+ démontrant l'effet de sensibilisation des ions Er3+, présents à l'état de traces, sur les raies d'absorption dans l'état excité du Tm3+

The conversion of light towards high frequencies is carried out according to three excitation mechanism types: successive absorptions of several photons, the excited-state energy transfer between ions and the photons avalanche. This last process is a collective effect based on an energy transfer between an excited ion and an unexcited ion. Under certain conditions, these transfers can lead to a chain reaction inducing an important increase of anti-Stokes fluorescent intensity. The object of this work is the systematic study of the anti-Stokes fluorescence of the trivalent rare earth ions in the fluorite crystals. The studies, which we present, are recorded by using a monochromatic excitation around 650 nm provided by a tunable dye laser. I have studied more particularly the erbium and thulium diluted ions in the KY3F10 single crystals. This study permits to determine Starks sub-levels of the various 2S+LJ multiplets of Er3+ and Tm3+ ions at liquid nitrogen temperature with a very good precision. We expose also the results relating to the dynamics of anti-Stokes fluorescence, by analyzing the variation of the fluorescence intensity as a function of the excitation power and by taking measurements of lifetimes. We also report the results of a spectroscopic study of anti-Stokes emissions from a Tm3+-doped KY3F10 crystal demonstrating the sensitized effect of Er3+ ions, present as trace impurities, on the excited-state absorption lines of Tm3. In addition to Er3+ ion, the Ho3+ ion does not increase the possibilities of resonant transfer with the Tm3+ ion