Rev. Phys. Appl. (Paris) 22, 145-152 (1987)
DOI: 10.1051/rphysap:01987002202014500

Energy transfer mechanisms between Ce3+ and Nd3+ in YAG : Nd, Ce at low temperature

J. Mares, B. Jacquier, C. Pédrini et G. Boulon

Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents, Université Lyon I, U.A. 442 du CNRS, 43, bd du 11-Novembre-1918, 69622 Villeurbanne, France

Abstract
The energy transfer mechanisms between Ce3+ and Nd3+ are studied at low temperature (T = 4.4 K) in Ce codoped YAG : Nd crystals using selective pulsed dye laser excitation to pump into the first Ce3+ absorption band. Both radiative and nonradiative energy transfers are observed. Ce3+ fluorescence decay curves are measured for various Ce3+ concentrations ranging from 0.003 to 0.02 at. % and typical Nd3+ concentrations used in YAG: Nd laser rods (~ 0.73 and 0.88 at. %). Since no diffusion occurs among Ce3+ ions, the Ce3+ decay curves are fitted according to Inokuti-Hirayama's theory. The best agreement is obtained for a average critical distance R 0 ~ 1.1 nm for dipole-dipole as well as quadrupole-dipole couplings. This means that both couplings contribute to nonradiative Ce3+ → Nd3+ energy transfer in YAG : Nd, Ce crystals for the used concentrations.

Résumé
On étudie, à basse température, les mécanismes de transfert d'énergie entre les ions Ce3+ et Nd3+ incorporés dans des cristaux de grenat d'aluminium-yttrium (YAG) en utilisant comme source d'excitation sélective un laser à colorant à impulsion et accordable permettant de pomper dans la première bande d'absorption de Ce3+. On observe des transferts d'énergie aussi bien radiatifs que non radiatifs. Les courbes de déclin de la fluorescence des ions Ce3+ sont enregistrées pour diverses concentrations en Ce3+ allant de 0,003 à 0,02 at. % et des concentrations en Nd3+ habituellement utilisées dans les barreaux laser YAG : Nd (~ 0,73 et 0,88 at. %). Etant donné qu'aucune diffusion n'a lieu parmi les ions Ce3+, il est possible de décrire les courbes de déclin à l'aide de la théorie d'Inokuti-Hirayama. Le meilleur accord est obtenu pour une distance critique moyenne R0 ~ 1,1 nm aussi bien pour des couplages du type dipôle-dipôle que dipôle-quadrupôle. Ceci signifie que ces deux couplages contribuent au transfert d'énergie non radiatif Ce3+ → Nd3+ dans les cristaux YAG : Nd, Ce pour les concentrations considérées.

PACS
7855H - Photoluminescence in other inorganic materials.

Key words
cerium -- fluorescence -- garnets -- impurities -- neodymium -- nonradiative transitions -- yttrium compounds -- low temperature -- energy transfer mechanisms -- Ce sup 3+ -- Nd sup 3+ -- pulsed dye laser excitation -- fluorescence decay curves -- YAG:Nd, Ce -- YAl5O12:Nd,Ce