Synthèse, croissance cristalline et propriétés optiques de matériaux oxydes dopés avec les ions Dy3+/Tb3+ - Ce3+/ Eu3+/Yb3+ pour une émission laser dans le visible

Synthesis, crystal growth and optical properties of oxide-based materials, doped with Dy3+/Tb3+ - Ce3+/ Eu3+/Yb3+ ions for visible laser emission

• Auteur / Autrice : Haichao Lan
• Direction : Gérard Aka
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 08/12/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche de chimie Paris - Institut de recherche de chimie Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de chimie (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Virginie Nazabal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Loiseau, Philippe Veber, Jean-François Guillemoles
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Boulanger, Azzedine Boudrioua
• DOI : 10.70675/89106efaz7f41z4307za3e8zc1a87f139aa0

Mots clés

Mots clés contrôlés

Surfaces -- Propriétés optiques

Spectroscopie

Optoélectronique

Mots clés libres

Lanthanides

Croissance cristalline

Spectroscopie optique

Laser visible

Lanthanides

Crystal growth

Optical spectroscopy

Visible laser

Résumé

Les sources cohérentes compactes et économiques émettant dans le domaine jaune - verte (500 ~ 600 nm) sont d'un grand intérêt dans les domaines de l'affichage optique, de la médecine et de la biologie. Actuellement, les méthodes pour générer des lasers visibles comprennent la diode laser, la conversion de fréquence non linéaire à partir d’un laser infrarouge ou le pompage direct du milieu de gain dopé avec des ions luminescents (Pr3+, Sm3+, Tb3+, etc.). En général, les ions Dy3+ et Tb3+ ont d'excellentes propriétés de luminescence, mais leurs faibles sections efficaces d'absorption demeure est le plus grand obstacle à leur application et à leur développement.Ce travail de thèse visait à l'étude de nouveaux cristaux laser visibles à base des cristaux oxydes dopés avec des ions Dy3+ ou Tb3+, en introduisant les Ce3+, Eu3+ ou Yb3+ comme ions sensibilisateurs pour améliorer les propriétés de luminescence. Différentes compositions de co-dopage incluant la sélection de l’ion sensibilisateur et l'optimisation de la concentration de dopage ont été mises en œuvre. Parallèlement, divers matrices hôtes oxydes telles que le CaYAlO4, le CaYAl3O7, le Lu3Al3Ga2O12, le Ca3Sc2Si3O12, le Y3Sc2Al3O12 et le YAlO3 ont été sélectionnés et d’abord étudiés sous forme polycristalline puis élaborées sous forme de monocristaux par la méthode Czochralski. Les propriétés de spectroscopie optique d’absorption, d'émission, de durée de vie de la fluorescence et de transfert d'énergie, ont été évaluées.

The compact and cost-effective coherent source emitting in yellow and green region (500 ~ 600 nm) is of great interest in the fields of optical display, medicine and biology. Presently, the pervasive methods for generating visible lasers include laser diode (LD), nonlinear frequency conversion, and direct pumping of the gain medium doped with luminescent ions (Pr3+, Sm3+, Tb3+, etc.). In general, Dy3+ as well as Tb3+ have excellent luminescence properties, but the extremely small absorption cross-section is the biggest obstacle to their application and development.This PhD work was aimed at the investigation of novel visible laser crystals on the basis of the Dy3+ or Tb3+ doped oxide crystals, by introducing Ce3+, Eu3+ or Yb3+ as sensitizer ions for enhancing the luminescence properties. Different co-doping proposals including the sensitizer selection and the doping concentration optimization were implemented. In the meantime, various oxide hosts such as CaYAlO4, CaYAl3O7, Lu3Al3Ga2O12, Ca3Sc2Si3O12, Y3Sc2Al3O12 and YAlO3 were selected and synthesized and the co-doped laser crystals based on the above hosts were grown by the Czochralski method. The corresponding optical spectroscopy properties including the absorption, emission, fluorescence lifetime and energy transfer were comprehensively evaluated.