LANTHANE ET LANTHANIDES

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Applications liées aux propriétés optiques

Les propriétés optiques des terres rares sont partie intégrante des technologies les plus modernes des télécommunications et de la reproduction des images et de leur transmission. Les matériaux utilisés doivent être d'une extrême pureté chimique, comparable à celle qui est requise pour les semiconducteurs. On utilise des terres rares pures à 99,99 p. 100 ou plus. Les très nombreuses applications mettent à profit aussi bien les propriétés optiques en régime continu qu'en régime pulsé.

Les lasers contenant des terres rares

Ce sont principalement des lasers solides qui émettent des radiations de longueur d'onde précisément définie. Le spectre des niveaux d'énergie des terres rares étant très dense, on peut pratiquement trouver un ion de terres rares émettant d'une manière cohérente à n'importe quelle longueur d'onde, dans le visible, l'infrarouge (I.R.) et l'ultraviolet (U.V.) [tabl. 8]. L'unique limitation optique est la fenêtre de transparence de la matrice dans laquelle se trouve l'ion émetteur. Sans entrer dans la théorie des lasers, on peut dire que la performance d'un laser à terres rares dépendra de l'intensité de l'excitation (pompage), du couplage entre la radiation excitatrice et la matrice cristalline constituant le matériau laser, du degré d'absorption du matériau, et du rendement quantique exprimant le pourcentage de l'énergie transformée en radiation laser (fig. 4) . Le matériau lui-même doit avoir des caractéristiques physiques appropriées : la synthèse de monocristaux doit être menée sans apparition de macles ou de fissures, qui sont considérées comme « tueuses de luminescence » ; leurs dimensions peuvent varier d'une fraction de millimètre à quelques centimètres ; le cristal doit posséder une haute conductivité thermique afin d'évacuer l'échauffement induit par la radiation excitatrice ainsi qu'une dureté mécanique permettant sa taille selon des géométries particulières, nécessaires à l'optimisation des performances. Quand on précise qu'en outre les puissances moyennes de sortie doivent être de l'ordre du microwatt pour les technologies de l'information et de l'optronique et de dizaines de kilowatts pour le traitement et la découpe des aciers, on voit rapidement combien la présentation d'une liste des matériaux lasers et de leur mise en œuvre serait longue et fastidieuse.

Terres rares : longueurs d'onde

Tableau : Terres rares : longueurs d'onde

Principales longueurs d'onde lasers des ions de terres rares trivalents (d'après M. J. Weber, « Handbook for Laser Science and Technology », C.R.C. Press). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Schémas de principe des lasers à terres rares

Dessin : Schémas de principe des lasers à terres rares

Principaux schémas de principe des lasers à terres rares : à trois niveaux (à gauche), à quatre niveaux (au centre) et up conversion (à droite). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Les applications sont si nombreuses qu'il est également difficile d'en dresser une liste exhaustive. Cela va de la télémétrie civile et militaire à l'espoir de la fusion contrôlée de l'hydrogène, en passant par les outils de découpe et un nouveau type de bistouri. Les deux exemples suivants présentent des développements très prometteurs.

Les nanolasers

Les nanolasers sont des lasers pompés par une simple diode (GaAlAs ou GaInAs). La dimension de la cavité est d'environ 0,5 mm3. Ce sont actuellement presque exclusivement des lasers à néodyme et à ytterbium, dans différents matériaux (YAG, LiYF4, KGd(WO4)2 et YVO4). Les miroirs sont en silice ou en oxyde de titane avec une épaisseur micrométrique. Leur simplicité d'utilisation permet de remplacer avantageusement les lasers He-Ne dans le micro-marquage, dans les oscillateurs paramétriques et les micro-contacts optiques dans les répétiteurs de fibres optiques (Q-switches).

Les fibres optiques

Les fibres optiques apparaissent comme des composantes fondamentales dans les techniques actuelles ou futures de l'optronique. Elles sont principalement employées dans les télécommunications à longue distance, le diagnostic médical in situ, le transport à distance d'un faisceau laser, l'analyse chimique en milieu chimiquement dangereux ou radioactif, les mesures à distance des températures. Selon les applications, les fibres sont en silice, en verres de terres rares fluorés ou au soufre, avec différentes compositions. Les ions dopants sont principalement l'erbium (pour son émission laser I.R. à 1,55 μm) ou le praséodyme (1,33 μm) en raison du pompage de ces transitions laser par le YAG :Nd3+ et par les diodes GaAs. L'utilisation de lasers fonctionnant en mode pulsé permet l'envoi de trains d'ondes modulés, très brefs, pour le transfert multicanal de l'information. Les recherches actuelles portent sur des ions terres rares émettant dans le bleu ou le proche U.V., afin de diminuer les pertes lors des longs trajets optiques et de limiter ainsi le [...]

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Terres rares : caractéristiques physico-chimiques

Terres rares : caractéristiques physico-chimiques
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Terres rares : découverte

Terres rares : découverte
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Terres rares : éléments

Terres rares : éléments
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Terres rares : minéraux

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Pour citer l’article

Concepcion CASCALES, Patrick MAESTRO, Pierre-Charles PORCHER, Regino SAEZ PUCHE, « LANTHANE ET LANTHANIDES », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 25 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/lanthane-et-lanthanides/