Etude des propriétés optiques des ions luminescents de terres rares (Ho3+ et Er3+)
Interaction du rayonnement avec les ions de terres rares
L’absorption d’un photon par un ion de terre rare fait passer ses électrons d’un état fondamentale (1) à un état excité (2). Ces électrons retournent à leur état fondamental, soit par transition radiative, c’est-à-dire avec émission de photons, soit non radiative c’est-à- dire sons émission de photons mais avec émission de phonons, soit encore de type vibronique avec émission partielle de photons et de phonons.
Transitions radiatives
Absorption Un photon d’énergie hν se propagent dans un matériau peut être absorbe si ce dernier présente des transitions électroniques entre deux niveaux, dont l’écart énergétique ∆
Transfert d’énergie assiste de phonons
Dans certains cas, la différence d’énergie entre les niveaux impliqués dans le transfert n’est pas identique. Le transfert d’énergie ne fait donc pas intervenir les mêmes états excité. Pour que la conservation de l’énergie soit totale il faut qu’il y ait contribution des phonos de la matrice (soit absorption, soit émission des phonons) suivant que l’énergie de transition D* → D est supérieure à celle de la transition A→ A* figure I. 12 et figure I. 13. D* hν A* hν transfert d’énergie D A Figure I. 12 : Transfert assiste par émission de phonons 30 A* hν D* hν Transfert d’énergie D A Figure I. 13: Transfert assisté par absorption de phonons.
Relaxation croisée
La relaxation est dite croisée lorsque les électrons des ions donneurs et accepteurs se trouvent sur des niveaux intermédiaires entre l’état excité d’origine et l’état fondamental après transfert. La figure I. 14 schématise le processus de relaxation croisée, ce processus est la cause principale de la limitation à la concentration en ions actifs que l’on peut mettre dans une Transfert d´énergie E0 E0 Donneur Accepteur Figure I. 14 : Transfert d’énergie par relaxation croisée. matrice hôte, parce qu’il dépeuple le niveau émetteur Par un mécanisme non radiatif en perdant la totalité de l’énergie d’excitation. Ce phénomène dépend du recouvrement entre la section efficace d’émission de l’ion donneur et la section efficace d’absorption de l’ion accepteur. 31 a-4 Addition de photons par transfert d’énergie(APTE) L’APTE, dont le principe est décrit a la figure I. 15 est base sur le même mécanisme que la relaxation croisée avec une particularité, l’ion accepteur se trouve dans un état excité. C’est le mécanisme d’up conversion ou on obtient des émissions de plus courte longueur d’onde que l’excitation. Transfert d’énergie Donneur Accepteur Figure I. 15 : Principe de l’addition de photon par transfert d’énergie. b-Absorption dans l’état excité: L’absorption dans l’état excité AEE (ESA Excited State Absorption) est un processus d’up conversion (figure I. 16). Ce processus est d’autant plus probable que la durée de vie du niveau excité est longue. Le photon peut être un photon de pompe (excitation) ou de signal (émission). Dans ce dernier cas, L’AEE est une source de dégradation du signal. Les effets positifs de l’AEE sont le dépeuplement du niveau terminal dans le cas d’une transition radiative « self-terminating» [24], et l’excitation de niveau d’énergie supérieure a celle de la pompe [25]. Ce processus permet de réaliser des lasers a up conversion. E2 ν λ<λincidente E1 ν E0
Mécanismes d’up-conversion
L´up conversion est un processus dans lequel deux transitions successives au niveau de l’ion donneur font passer l’ion accepteur dans son état excité a une énergie double de celle du niveau donneur. Un premier photon sert à atteindre le premier état excité A* (par transfert d’énergie résonant, ou par transfert d’énergie assisté de phonons), puis un second photon fait passer l’ion de terres rares de l’état A* vers l’état A** (toujours par transfert d’énergie résonant, ou par transfert d’énergie assisté de phonons). Il est donc possible de produire par exemple une radiation visible à partir d’une radiation dans l’infrarouge par émission de la transition A** → A avec : A** deuxième état excité d’atome accepteur. Le processus d’up conversion peut se dérouler de deux façons différentes, par absorption de deux photons par un seul ion, également appelé absorption dans l’état excité, ou par relaxation croisée entre deux ions excites (figure I. 17).
CHAPITRE I : Spectroscopie de base des ions de terres rares trivalents |
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