Continuous-wave operating conditions of organic solid-state lasers : the role of triplet states

• Auteur / Autrice : Anthony Dall'agnol
• Direction : Sébastien Chénais, Sébastien Forget
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 26/01/2023
• Etablissement(s) : Paris 13
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des lasers (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eléna Ishow, Fabien Bretenaker, Anthony D'Aléo, Gilles Clavier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Charles Ribierre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photoluminescence

Photophysique

Lasers à solide

Mots clés libres

Lasers organiques

Émission continue

Mesure de constantes photophysique

Organic lasers

Continuous-Wave lasing

Photophysical constant measurements

Résumé

Ces cinq dernières années ont été les témoins de grandes avancées dans le domaine des lasers organiques solides (OSSLs). Cependant, la démonstration d'une émission laser continue est toujours un défi qu'il est essentiel de relever pour viser des applications pratiques. Une partie des limitations provient d'une spécificité de molécules organiques : un état triplet T1 vers lequel les atomes sur le niveau de fluorescence sont transférés via un croisement inter-système. Même si ces atomes dans l'état triplet ne participent pas à l'émission de lumière pour la plupart des composés, leur rapide accumulation sur ce niveau dont la durée de vie est bien plus longue que la fluorescence a toujours entraîné la mort prématurée de l'émission laser, à cause d'une dépopulation de l'état fondamental et d'interactions intermoléculaires. Actuellement, les efforts déployés pour atteindre une émission laser continue consistent principalement à améliorer les propriétés des molécules pour réduire l'influence de ces état triplets. C'est ainsi que récemment, une émission laser durant le temps d'une excitation quasi-continue de 30 ms a été publiée en utilisant la BSBCz implémentée dans un résonateur à très bas seuil, qui a été expliquée par le faible taux de création de triplets par la molécule et la suppression d'absorption parasites, soulignant l'importance de la caractérisation des milieux à gain organiques. Malgré que ce succès ait été beaucoup étudié et expliqué à travers le prisme des triplets, peu d'études se sont intéressés au rôle du résonateur. Le but de cette thèse est alors double. Premièrement, le développement d'une méthode d'évaluation des constantes photophysique relatives aux triplets tel que leur temps de vie, les taux de croisement inter-système, d'annihilation singulet-triplet (STA) et triplet-triplet (TTA) à l'aide de transitoires de photoluminescence. Cette expérience ne nécessitant ni d'appareils coûteux ni de résolution spectrale, nous pensons qu'elle pourrait être un outil très utile pour caractériser et comparer différentes molécules et leurs propriétés. Dans un deuxième temps, les conditions des OSSLs pour obtenir une émission continue sont étudiées théoriquement par des simulations numériques d'équation de taux et des démonstrations analytiques. En prenant explicitement en compte le rôle de la cavité dans les différentes dynamiques, cette thèse apporte une vue plus large sur les influences des pertes optiques et photophysiques sur les durées d'impulsions lasers.

The last five years have been the witnesses of many breakthroughs regarding organic solid-state lasers (OSSLs). However, the demonstration of a continuous-wave (CW) lasing emission remains a challenge that is essential to overcome in order to reach pratical applications. A part of this limitation arises from a well-defined triplet state that is specific to organic molecules, to which atoms on the fluorescence energy level are promoted via intersytem crossing (ISC). Although triplet states do not participate in light emission for most compounds, an irretrievable accumulation of T1 atoms whose lifetimes are much longer than the fluorescene have always caused the premature death of the laser by depletion of the gain medium ground state and subsequent intermolecular interactions. Current efforts towards the achievement of CW lasing mostly focus on tailoring the photophysical properties of molecules to reduce the influence of triplet state atoms. Recently, a lasing operation during a quasi-CW 30 ms excitation was reported using BSBCz and then its derivatives in a low-threshold optical resonator, which was ascribed to the low triplet creation yield of the molecules and the removal of parasite absorptions, emphasizing the importance of properties characterizations in organic gain media. Although this achievement has been well explained in the framwork of triplet dynamics, few studies have investigated the role of the resonator. The purpose of this thesis is then twofold: first, the presentation of an experimental protocol to characterize triplet state lifetimes and other triplet-related interactions such as ISC, singlet-triplet annihilation (STA) and triplet-triplet annihilation (TTA) in organic thin films thanks to photoluminescence transients.Because this method is simple, requires neither expensive apartus nor a spectral resolution, we believe it has the potential to become a useful tool for material properties screening. In a second time, the requirements for OSSLs to achieve CW lasing are investigated with the help of numerical simulations of rate equations and analytical reasonings. By explicitly taking into account the role of the resonator, this work provides a broader view regarding the influences of optical and photophysical losses regarding the lasing pulse duration.