Spectroscopic investigation of a fluoride crystal doped with rare earth ions for infrared laser emission

SPECTROSCOPIE ET DYNAMIQUE DE FLUORESCENCE

D’UN CRISTAL FLUORE DOPÉ PAR DES IONS TRIVALENTS

DE TERRES RARES POUR DES ÉMISSIONS LASERS INFRAROUGES

M. Diaf*, F. Bendjedaa, A. Sayoud

Département de Physique, Université d’Annaba, B.P 12, 23000 Annaba, Algérie

* Corresponding author. E-mail: mdiaf@hotmail.com

Received : 03 March 2003; revised version accepted : 18 March 2004

Abstract

A detailed study is presented of the optical properties of the rare earth ions Er3+ and Tm3+ in a fluoride single crystal KY3F10 in order to examine the possibility of using it as a laser active medium for infra-red emissions particularly in fields centered around 1.55µm and 2µm, so-called ‘eye-safe domain’. The experimental protocol used for obtaining single crystals for two concentrations in doping ions is described. Using X-ray techniques the structure of samples is examined. The absorption and fluorescence spectra recorded at low temperatures are used for a set of Stark sub-levels for the two ions Er3+ and Tm3+, whereas the absorption spectra at room temperature is necessary to carry out the analysis of Judd-Ofelt for determining radiative lifetimes of the main emitting levels and comparing them with the experimental lifetimes. The potential used of KY3 F10 doped with Tm3+ or Er3+ ions for the laser emission is around 1.5µm was briefly discussed.

Keywords: Solid state laser spectroscopy; Rare earth ions; Optical properties; Fluorescence dynamics; Thulium; Erbium.

Résumé

Une étude détaillée des propriétés optiques des ions de terres rares Er3+ et Tm3+ dans un monocristal de fluorure KY3F10 est présentée en vue d’examiner une possibilité de l’utiliser en tant que milieu actif laser pour des émissions infrarouges particulièrement dans les domaines centrés autour de 1.55µm et 2µm, dits de sécurité oculaire. Nous décrivons le protocole expérimental nécessaire à l’obtention des monocristaux pour deux concentrations en ions dopants. Nous vérifions par les techniques radiocristallographiques la structure des échantillons élaborés. Les spectres d’absorption et de fluorescence enregistrés à basses températures sont utilisés pour obtenir un jeu de sous-niveaux Stark pour les deux ions Er3+ et Tm3+ alors que les spectres d’absorption à température ambiante sont nécessaires pour effectuer l’analyse de Judd-Ofelt pour la détermination des durées de vie radiatives des principaux niveaux émetteurs et les comparer aux durées de vie expérimentales. L’utilisation potentielle de KY3F10 dopé Tm3+ ou Er3+ pour l’émission laser autour de 1.5µm a été brièvement discutée.

Mots clés : Cristaux lasers ; Spectroscopie ; KY3F10 ; Thulium ; Erbium.

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