Les mécanismes de la conversion vers les hautes fréquences, application à l'ion Tm ³⁺

(Reçu le 10 juillet 1995, accepté le 24 janvier 1996)

Abstract
The anti-Stokes fluorescence excitation with a monochromatic source can be due to three mechanisms: the successive absorptions, the energy transfer and the photon avalanche distinguishable by certain experimental tests specified by the theoretical study of a three-level model. The photon avalanche is characterized by the existence of a threshold for the excitation density with, beyond this threshold, a sudden increase of the anti-Stokes fluorescence intensity and by a rise time which may be longer than the storage level lifetime, with a strongly marked bending point. This process, efficient for the population inversion, is not separable from the other two mechanisms which can favour it, impede it or even block it. Thus, the avalanche can be started by a weak ground-state absorption and blocked when this absorption becomes too strong. Then, a system based on an excited-state absorption has two operating modes: a successive absorptions mechanism and the photon avalanche. The transition from the former mode to the latter progressively occurs as the excited-state absorption increases compared with the ground-state absorption. The energy level diagram of Tm ³⁺ ion favours the excited-state absorption processes, with, in particular the photon avalanche. Some experimental results concerning Tm ³⁺ in fluoride crystals are given.

Résumé
L'excitation de la fluorescence anti-Stokes, au moyen d'une source monochromatique peut être due à trois mécanismes : les absorptions successsives, le transfert d'énergie et l'avalanche de photons. De l'étude théorique d'un modèle à trois niveaux, nous dégageons les traits spécifiques de chacun de ces mécanismes. L'avalanche de photons est caractérisée par l'existence d'un seuil pour la densité d'excitation avec, au delà de ce seuil, une brusque augmentation de l'intensité de la fluorescence anti-Stokes et par un temps de montée qui ne peut être plus long que la durée de vie du niveau réservoir, avec un point d'inflexion très marqué. Ce mécanisme est efficace du point de vue de l'inversion de population mais n'est pas séparable des deux autres mécanismes qui peuvent le favoriser, le contrarier ou même le bloquer. Ainsi l'avalanche peut-elle être amorcée grâce à l'existence d'une très faible absorption dans l'état fondamental mais bloquée lorsque cette absorption devient trop forte. Un système basé sur une absorption dans un état excité possède donc deux modes de fonctionnement : un mécanisme où les absorptions successives dominent et l'avalanche de photons. Le passage d'un mode à l'autre apparait progressivement lorsque l'absorption dans l'état excité augmente par rapport à l'absorption dans l'état fondamental. Les résultats expérimentaux que nous avons obtenus avec l'ion Tm ³⁺ illustrent les processus d'absorption dans l'état excité dont l'avalanche de photons.