Les Phosphates, matériaux pour l'optique

L'analyse de la rencontre d'un photon et d'un phosphate nécessite de rappeler les caractéristiques structurales d'un phosphate en vue de son application en optique et de revoir quelques définitions relatives à l'onde lumineuse et à sa propagation dans un milieu diélectrique. Alors peuvent être décrits le fonctionnement de quelques matériaux étudiés et/ou utilisés pour l'éclairage, la multiplication de fréquence, l'effet laser etc. Ces multiples propriétés sont la conséquence de l'extrême richesse de la cristallochimie des phosphates, les groupements [PO4] pouvant être facilement associé aux oxydes d'ions de transitions et / ou aux oxydes des terres rares.

L'entité structurale élémentaire d'un phosphate est le tétraèdre [PO4] où les distances P O varient entre de 1.45 à 1. 65 Å(1 Å =10-10m) en fonction des divers arrangements structuraux. Ces tétraèdres peuvent être isolés ( mono phosphates) ou liés entre eux par des sommets communs donnant naissance soit à des chaînes soit à des entités cycliques (Fig. I-1)

Le terme luminescence, du au physicien E. Wiedemann(1888), vient du mot latin " lumen " qui signifie lumière. Fondamentalement l'émission de lumière résulte de l'évolution d'un système d'un état excité à un état fondamental après une absorption d'énergie excitation entre ces états ( Figure 2-1).

En fait dans le processus d'interaction entre les atomes et le rayonnement électromagnétique, l'émission de rayonnement par les atomes résulte de deux processus distincts : l'émission spontanée responsable des phénomènes précédents et l'émission stimulée, établie par A. Einstein en 1917, qui est à l'origine de la découverte des lasers en 1957(C. H. Townes, A.L. Schawlow, A.M. Prokhrov et N. G. Basov).

Dans l'émission spontanée les photons sont émis de manière aléatoire et dans toutes les directions. En revanche dans l'émission stimulée ou induite, un photon frappant un atome excité force ce dernier à revenir à l'état fondamental en émettant un photon de caractéristiques parfaitement identiques à celles du photon incident. Les ondes qui leurs sont associés sont dites " en accord de phase " d'où la notion de lumière cohérente. La " cohérence " implique un rayonnement " calé " sur une longueur d'onde unique (monochromatique) et stable à une très grande distance de la source. Le faisceau possède ainsi une très grande directivité.

Dans le domaine optique, entre l'Ultra-Violet et l'Infra Rouge, l'émission stimulée est négligeable comparée à l'émission spontanée et elle ne devient possible qu'à condition d'augmenter la population de l'état excité 2> au détriment de celle de l'état fondamental 1> en réalisant une inversion de population. Le processus impliqué est appelé le pompage optique (A. Kastler 1949). L'inversion de population peut être réalisée par exemple dans un système à 3 niveaux : une absorption intense est effectuée entre le niveau 1> et un niveau 3> de plus haute énergie que le niveau 2>. Le niveau 3> est choisi par sa propriété de se désexciter très rapidement sur le niveau 2> avant que celui-ci se dépeuple (Figure II-3) ce qui produit l'inversion de population entre 2> et 1>. Ce système est à la base du développement de l'un des premiers lasers commerciaux : le laser à rubis (Al2O3 :Cr). D'autres architectures pour réaliser l'inversion de population ont été également décrites comme les systèmes à quatre niveaux dont un exemple est donné au paragraphe VI page 36.