Etude expérimentale et théorique de l'échauffement induit par une excitation optique des ions erbium trivalents dilués dans des matériaux cristallins transparents de la famille des fluorures

Experimental and theoretical study of the heating induced by an optical excitation of the trivalent erbium ions diluted in transparent crystalline fluoride materials

• Auteur / Autrice : Zohra Chouahda
• Direction : Madjid Diaf, Jean-Pierre Jouart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Reims

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermométrie -- Instruments

Transfert d'énergie

Photoluminescence

Erbium

Résumé

L’étude de la photoluminescence verte des ions erbium incorporés dans des fluorures mixtes de strontium et de cadmium en fonction de la puissance excitatrice a été entreprise dans le but de déterminer l’échauffement au sein du cristal en vue de son utilisation comme sonde de température. Cette détermination repose sur le calcul du rapport des intensités de la fluorescence (RIF) verte provenant des deux niveaux thermalisés 2H11/2, 4S3/2. Comme ces deux niveaux sont très proches, leurs populations électroniques peuvent être considérées en équilibre thermodynamique et par conséquent elles vérifient la loi de Boltzmann que nous appliquons pour déterminer l’échauffement. L’émission verte est obtenue en excitant les ions erbium autour de 652 nm sur la transition 4I15/2 → 4F9/2 avec un laser à colorant. Une partie de l’énergie incidente absorbée est convertie en chaleur, l’autre partie génère deux émissions Stokes infrarouges correspondant aux transitions : 4I13/2 → 4I15/2 et 4I11/2 → 4I15/2, une émission rouge Stokes correspondant à la transition 4F9/2 → 4I15/2 et une émission verte anti-Stokes correspondant à 2H11/2, 4S3/2 →4I15/2. Pour avoir simultanément deux mesures de la température, nous choisissons de travailler avec deux couples de raies provenant des niveaux [4S3/2(1), 2H11/2] et [4S3/2 (2), 2H11/2]. L’étude de la variation du rapport des intensités en fonction de la puissance excitatrice montre une élévation non négligeable de la température pour des puissances supérieures à 20 mW ; elle atteint une valeur de 130°C pour une puissance de 350 mW. L’évolution de la température en fonction du temps, présente une augmentation brusque puis atteint une valeur constante qui est de l’ordre de 130°C durant une minute environ. Les deux couples de raies donnent des comportements presque identiques, ce qui valide nos résultats. Une méthode directe, sans contact, par thermographie infrarouge a été entreprise en utilisant une caméra AGEMA 880 LW 8-12μm.

The study of the green photoluminescence from Er3+ ions incorporated in strontium and cadmium mixed fluorides was undertaken as a function of the exciting power, in order to know the heating within the crystal and consequently its use as temperature sensor. The determination of the heat induced by the laser beam is based on the calculation of the green fluorescence intensities ratio (FIR) coming from the two thermalized levels 2H11/2, 4S3/2. As these two levels are very close, their electronic populations can be considered in thermodynamic equilibrium and then they verify the Boltzmann’s law which we apply to determine the temperature. The erbium green emission is obtained by exciting the erbium ions around 652 nm on the transition 4I15/2 → 4F9/2 by means of a red tunable dye laser. One part of absorbed energy is converted into heat, the other part generates two Stokes infrared emissions corresponding to the transitions : 4I13/2 → 4 I15/2 and 4I11/2 → 4I15/2, a Stokes red emission corresponding to the transition 4F9/2 → 4I15/2 and a anti-Stokes green emission corresponding to 2H11/2, 4S3/2 → 4I15/2 transition. We choose to work with two couples of lines [4S3/2(1), 2H11/2] and [4S3/2 (2), 2H11/2] to have two measurements simultaneously. The FIR variation according to the exiting power shows that the rise in temperature is not negligible for power higher than 20 mW; it reaches 130 °C when the power is 350 mW. The time-dependence of the temperature offers a fast increase and attains a constant value of 130°C during one minute approximately. The two couples of lines lead nearly to the same dependence, this confirms our results A direct method, without contact, by infra-red thermography was undertaken, using a AGEMA 880 LW 8-12μm camera.