Mougel, Frédéric (1999) Les oxoborates de calcium et de terres rares (TR) Ca4TRO(BO3)3. Une nouvelle famille de matériaux à fonctions multiples pour l'optique: Croissance cristalline, propriétés non linéaires et laser. PhD thesis, ENSCP.
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Abstract
The aim of this work is to study a new family of non linear compounds Ca4REO(BO3)3 (where RE is set for lanthanide or yttrium). The second order non linear properties for the GdCOB (Ca4GdO(BO3)3) and YCOB (Ca4YO(BO3)3) compounds were characterised. These materials favorably compare with commercialised non linear borates such as LBO and BBO. Crystal growth was performed by using the Czochralski method, allowing large size single crystals (diameter 50 mm and length 100 to 120 mm) with good optical quality. Moreover crystals are totally unsensitive to moisture.
Luminescent lanthanide ions (neodymium or ytterbium) can be inserted in the non linear matrix and single crystals were grown by the Czocralski method. The study of the optical properties leads to demonstrate the laser effect under titanium sapphire or laser diode pumping in the infrared range (around 1060 nm) for the neodymium and ytterbium doped GdCOB and for the neodymium doped YCOB.
Finally, non linear properties and laser effect can be combined and give rise to blue or green continuous visible laser sources, by self frequency doubling or self sum frequency. The obtained performances together with availability of large size crystal can lead to the realisation of microchip lasers.
| Item Type: | PhD Thesis (PhD) |
|---|---|
| Thesis Supervisor: | Aka, G. |
| Date: | July 1999 |
| Board of examiners: | Quarton, M. and Boulon, G. and Fontana, M. and Rytz, D. and Salin, F. and Pelenc, D. |
| Collection (Fonds): | ENSCP |
| Institution: | ENSCP |
| Subjects: | 6. Chemistry, Physical Chemistry and Chemical Engineering |
| Uncontrolled Keywords: | GdCOB, Ycob, Non-linear optic, Neodymium, Ytterbium, Laser experiments, Self frequency doubling, Self sum frequency., GdCOB, Ycob, Optique non linéaire, Néodyme, Ytterbium, Tests laser, Autodoublage de fréquence, Autosomme de fréquence. |
Table of content
Introduction - 1
Bibliographie - 5
Chapitre I: Propriétés des matrices LnCOB (Ln=Gd ou Y) non linéaires - 7
I-1 Elaboration des matrices LnCOB (Ln=Gd ou Y) - 7
I-1-1 Historique - 7
I-1-2 Cristallogénèse du matériau. - 8
A) Synthèse par réaction à l'état solide. - 8
B) Etude du domaine de phase - 9
C) Elaboration des monocristaux. - 20
I-1-3 Caractérisation chimique et structurale des composés. - 25
A) Affinement structural. - 25
B) Diffraction des rayons X sur poudre - 31
Préparation des échantillons - 31
Détermination des paramètres de maille. - 33
C) Détermination de la composition par absorption atomique (ICP). - 33
I-1-4 Propriétés physiques des monocristaux de GdCOB et YCOB - 35
A) Propriétés thermiques - 35
Comportement à la fusion - 35
Dilatation thermique - 36
Conductivité thermique. - 38
B) Domaine de transparence des matériaux. - 41
I-1-6 Conclusion - 43
I-2 Rappels sur l'Optique Non Linéaire (ONL) - 43
I-2-1 Généralités - 44
A) Introduction - 44
B) Cas d'une interaction à trois ondes - 45
C) Lois de conservation - 47
I-2-2 Propagation d'une onde plane dans un milieu anisotrope. - 49
A) Généralités - 49
B) Quelques définitions d'optique cristalline - 52
I-2-3 Paramètres intervenant dans une interaction non linéaire. - 53
A) Les paramètres non linéaires - 53
B) Les paramètres d'usage - 65
Sommaire
I-2-4 Conclusion - 67
I-3 Estimations des propriétés non linéaires des matrices COB. - 67
I-3-1 Caractérisation optique des cristaux. - 68
I-3-2 Détermination des indices de réfraction - 69
A) Détails expérimentaux - 69
B) Résultats des mesures pour le GdCOB. - 71
C) Résultats des mesures pour le YCOB. - 73
I-3-3 Angles d'accord de phase théoriques pour la génération du second harmonique. - 75
I-3-4 Angles d'accord de phase pour la génération du troisième harmonique. - 78
I-3-5 Courbes d'accord de phase pour un oscillateur paramétrique optique. - 81
I-3-6 Walk-off - 83
I-3-7 Prévision de l'acceptance angulaire pour la GSH à 1064 nm. - 85
I-4 Détermination expérimentale de certaines caractéristiques non linéaires. - 87
I-4-1 Détermination expérimentale des angles d'accord de phase en type I pour la GSH - 88
A) Détails expérimentaux. - 88
B) Résultats - 89
I-4-2 Evaluation des coefficients dij - 91
Analyse des résultats - 96
I-4-3 Mesure des acceptances angulaires. - 101
I-4-4 Rendement de conversion. - 103
I-4-5 Seuil de dommage. - 104
Conclusion - 104
Génération du second harmonique: - 104
Génération du Troisième Harmonique. - 106
OPO. - 106
Perspectives. - 107
Bibliographie du chapitre I - 110
Chapitre II: Propriétés optiques et laser du GdCOB et du YCOB dopés néodyme. - 115
II-1 Rappels sur les propriétés optiques des lanthanides. - 116
II-1-1 Propriétés optiques des ions lanthanides - 116
Règles de sélection - 118
II-1-2 Absorption - 120
Sommaire
A) Généralités. - 120
B) Dispositifs expérimentaux. - 121
II-1-3 Fluorescence. - 121
A) Généralités. - 121
B) Dispositifs expérimentaux - 123
II-1-4 Analyse de Judd-Ofelt - 124
A) Forces d'oscillateur expérimentales - 124
B) Approche théorique de Judd-Ofelt - 125
C) Calcul des temps de vie radiatifs et des rapports de branchement. - 126
II-2 Propriétés d'absorption du néodyme dans les matrices GdCOB et YCOB. - 127
II-2-1 Spectres en lumière polarisée à température ambiante - 127
Analyse de Judd-Ofelt - 132
II-2-2 Spectres d'absorption à basse température. - 133
II-3 Propriétés d'émission du néodyme dans les matrices GdCOB et YCOB. - 135
II-3-1 Spectres d'émission en lumière polarisée à température ambiante. - 135
II-3-2 Spectres d'émission à 77K. - 143
II-3-3 Temps de vie radiatif expérimental et rapports de branchement. - 144
A) Etude du temps de vie en fonction de la concentration en ions Nd3+. - 145
B) Etude du temps de vie en fonction de la température. - 147
II-4 Tests laser du GdCOB:Nd et du YCOB:Nd - 149
II-4-1 Etude de l'émission laser vers 1060 nm - 150
Tests laser en pompage saphir dopé au titane. - 151
II-4-2 Autodoublage de fréquence. - 160
A) Recherche de l'orientation optimale. - 162
B) Résultats de l'autodoublage en pompage saphir:titane. - 164
C) Conclusion - 170
II-5 En route pour un laser solide miniature bleu ? - 170
II-5-1 Introduction - Etat de l'art. - 170
II-5-2 Etude de la transition 4F3/2→4I9/2. - 172
II-5-3 Somme de fréquences. - 177
Calcul des angles d'accord de phase. - 177
Dispositif laser expérimental et résultats des tests de somme de fréquences. - 178
Bilan - 182
II-6 Conclusions. - 183
Bibliographie du chapitre II - 185
Sommaire
Chapitre III: L'oxoborate de calcium et de gadolinium dopé ytterbium
Ca4Gd1-xYbxO(BO3)3. - 191
III-1 Caractéristiques optiques de l'ion ytterbium. - 191
III-2 Absorption et temps de vie de l'ytterbium dans la matrice GdCOB. - 193
III-2-1 Absorption de l'ytterbium. - 195
A) Spectres d'absorption en lumière polarisée à température ambiante. - 195
B) Spectre d'absorption à froid. - 196
III-2-2 Temps de vie théorique et expérimental. - 201
III-3 Propriétés d'émission du GdCOB:Yb. - 202
III-3-1 Détermination des niveaux d'énergie de l'état fondamental. - 202
III-3-2 Calcul des sections efficaces d'émission en lumière polarisée. - 204
III-4 Propriétés laser du GdCOB:Yb. - 206
III-4-1 Paramètres laser du GdCOB:Yb. - 206
A) Fraction de population dans l'état excité. - 206
B) Section efficace de gain. - 208
C) Rendement quantique RQ. - 210
D) Intensité de saturation Isat. - 210
E) Intensité minimale de pompe absorbée Imin. - 211
F) Paramètres laser du GdCOB:Yb - 211
III-4-2 Tests laser infrarouge du GdCOB:Yb. - 213
Optimisation de la longueur du cristal. - 217
Conclusion. - 220
III-4-3 Autodoublage de fréquence. - 222
Bilan - 225
III-4-4 Autosomme de fréquences. - 225
III-5 Conclusion. - 228
Bibliographie du chapitre III - 231
Conclusion - 235
Annexes - 243
Liste des communications et publications - 255
| ID Code: | 1068 |
|---|---|
| Deposited By: | Stéphanie Savina |
| Deposited On: | 22 February 2005 |
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