Caractérisation structurale et spectroscopique de la matrice CdF2

La figure IV. 19 présente les deux parties du spectre d’absorption de la matricecristallineCdF2 :Tm3+ (5%) enregistrées à température ambiante dans l’intervalle spectral entre200 et 2200 nm à l’aide d’un spectrophotomètre Perkin Elmer 1050.Cette matrice est une tranche cylindrique d’épaisseur 2.17 mm. Le spectre obtenu est enregistré en densité optique. Il est évident du moment qu’on utilise le même dopant et que les matrice cristalline SrF2 et CdF2 sont isostructurales la forme des bandes d’absorption sont quasiment identiques dans les deux matrices.  Dans la partie proche infrarouge du spectre (figure IV. 19 b), on observe deux larges bandes relativement intenses positionnées aux longueurs d’onde 1208 nm et 1685 nm . Ces deux bandes correspondent aux transitions du niveau fondamental 3H6 des ions Tm3+ vers les deux premiers multiplets 3F4 et 3H5. Dans la partie visible du spectre (figure IV. 19 a), on observe la présence de bandes d’absorption moins larges et bien structurées que celles observées dans la partie infrarouge du spectre pointées autour des longueurs d’ondes 774, 680 et 467 nm. Ces bandes correspondent aux transitions du niveau3H6 vers les niveaux visibles3H4, Le spectre présenté est exprimé en densité optique en fonction de la longueur d’onde, il peut aussi être exprimé soit en section efficace d’absorption (unité cm2) soit en coefficient d’absorption (unité cm-1) en fonction de la longueur d’onde (généralement exprimée en nm).

Spectre d’émission

Etant donné que l’ion Tm3+ est connu pour fournir une émission dans la plus part des cas assez intense autour de 18µm provenant du premier niveau excité 3F4 ayant une durée de vie , métastable allant jusqu’à une douzaine de ms et avec un rapport de branchement maximal, nous nous sommes intéressés en premier lieu à cette émission car elle est très convoitée pour de multiples raisons. En ce sens, nous avons enregistré un spectre d’émission dans le domaine spectral proche infrarouge entre 1200 nm et 2500 nm à température ambiante. Pour effectuer cette mesure, nous avons utilisé un laser accordable Ti:Saphir pompé par un laser à argon ionisé réglée pour émettre à 790 nm. L’échantillon de CdF2 : Tm3+ (5%) a été monté un support à l’air libre. La fluorescence a été hachée avant d’être envoyée dans un monochromateur HRS2 muni d’un réseau de diffraction à 300 traits/mm, et à sa sortie d’un détecteur sous forme de photodiode InGaAs. Le signal à la sortie du détecteur est amplifié par un amplificateur à détection synchrone, les spectres d’émission sont ensuite visualisés et enregistrés avec un système d’acquisition.

Spectre d’émission visible sous excitation à 768 nm

Nous avons également enregistré un spectre d’émission dans le domaine spectral visible s’étendant sur la plage 400-600 nm (Figure IV. 21). Le spectre est marqué par la présence nette de deux bandes d’émission : l’une bleue autour de 480 nm et l’autre verte, plus intense autour de 540 nm. Cette deuxième bande d’émission verte n’est pas observable dans les échantillons monodopés par des ions Tm3+. Sa présence indique que notre échantillon est contaminé par des ions Er3+qui sont caractérisés par une émission verte.  Nous avons suivi l’évolution de ce spectre en fonction de la puissance de pompe de 100 mW jusqu’à 700 mW (Figure IV. 21). Nous constatons la poussée progressive des deux bandes d’émission au fur et à mesure que la puissance de pompe augmente.

Suite à une excitation du niveau 1G4 avec la longueur d’onde 465 nm (correspondant au pied de la bande d’absorption de ce niveau), nous avons enregistré la courbe de déclin de la fluorescence rouge émanant du niveau 1G4 qui est associée à la transition 1G4→ 3F4 (Figure IV. 23). L’ajustement de cette courbe par une fonction double exponentielle permet d’obtenir une durée de fluorescence égale à 48 µs, valeur qui est en deçà de la valeur de la durée de vie de fluorescence du niveau 1G4pour une fluorescence bleue, généralement autour de 0.5 ms. Ceci se traduit par la présence de plusieurs types de désexcitations de ce niveau.

La présente thèse de Doctorat a pour objectif principal l’étude des propriétés optiques des ions luminescents Tm3+dopant les matrices cristallines isostructurales SrF2 et CdF2. Les ions Tm3+ sont insérés avec les concentrations respectives de 2 et 5%. Les deux matrices hôtes sont synthétisées à l’état monocristallin par la technique de Bridgman– Stockbarger sous atmosphère contrôlée. Les cristaux « tirés » ont la forme cylindrique et sont pointus par le bas épousant la forme du creuset en graphite vitreux. Ils sont de bonnes qualités optiques. Lorsqu’elles sont examinées en lumière polarisée, ils sont exempts de fractures et de macles et donnent l’aspect d’une très bonne transparence. L’analyse par diffraction de rayons X confirme la structure cubique de type fluorite de ces deux composés, ce qui nous a permis de calculer leurs paramètres de mailles lorsqu’ils sont dopés. Le premier travail spectroscopique consiste à enregistrer le spectre d’absorption dans un large domaine spectral s’étendant de l’ultraviolet (UV) jusqu’au proche infrarouge (PIR) qui dans ce cas précis couvre la gamme 200-2200 nm. Les spectres respectifs sont formés de bandes d’absorption très fines dans le domaine UV-Visible (~30 nm) et relativement larges dans le domaine PIR (~200-300 nm). Nous avons exploité les spectres des deux matrices au moyen de la théorie semi-empirique de Judd-Ofelt (JO). Du moment que nous disposons de la relation de dispersion n(λ) des deux matrices et de la bonne qualité des spectres enregistrés (presque sans absorption de la matrice dans la partie UV), les trois paramètres d’intensité phénoménologique Ωt (t = 2, 4, 6) sont obtenus avec un bon ajustement par la méthode de moindres carrés. Les valeurs obtenues sont conformes à celles obtenues pour d’autres matériaux fluorés.Ces paramètres sont ensuite utilisés pour déterminer les probabilités de transition radiative,