Dopant

Lorsqu'on incorpore des dopants dans des substances cristallines , leurs atomes s'intègrent au réseau cristallin de la substance. Les matériaux cristallins sont souvent soit des cristaux de semi-conducteurs comme le silicium et le germanium , utilisés en électronique à l'état solide , soit des cristaux transparents utilisés dans la fabrication de différents types de lasers ; cependant, dans certains cas de ces derniers, des substances non cristallines comme le verre peuvent également être dopées avec des impuretés.

En électronique à semi-conducteurs, l'utilisation des types et des quantités appropriés de dopants dans les semi-conducteurs permet de produire les semi-conducteurs de type p et les semi-conducteurs de type n , essentiels à la fabrication des transistors et des diodes .

Dans le cas du rubis naturel , une infime quantité de chrome est naturellement répartie dans un cristal d' oxyde d'aluminium ( corindon ). Ce chrome confère au rubis sa couleur rouge et lui permet également de subir une inversion de population et de fonctionner comme un laser. Les atomes d'aluminium et d'oxygène présents dans le cristal transparent d'oxyde d'aluminium servent uniquement à maintenir les atomes de chrome dans une distribution spatiale homogène ; ils n'interviennent en rien dans l'effet laser.

Dans d'autres cas, comme celui du laser YAG au néodyme , le cristal est synthétique et n'existe pas à l'état naturel. Le cristal de grenat d'yttrium-aluminium (YAG), fabriqué par l'homme , contient des millions d'atomes d'yttrium. Grâce à sa taille, sa valence chimique, etc., il se prête parfaitement à la substitution d'une petite minorité d'atomes d'yttrium dans son réseau cristallin par des atomes de terres rares , comme le néodyme. Ce sont alors ces atomes dopants qui produisent l'émission laser au sein du cristal. Les autres atomes du cristal sont de l'yttrium, de l'aluminium et de l'oxygène, mais, comme précédemment, ces trois éléments servent uniquement de support aux atomes de néodyme. Par ailleurs, l'erbium, une autre terre rare, peut être utilisé comme dopant à la place du néodyme, ce qui modifie la longueur d'onde d'émission.

Dans de nombreux matériaux optiquement transparents , ces centres actifs peuvent maintenir leur excitation pendant une durée de l'ordre de la milliseconde, puis se relaxer par émission stimulée , produisant ainsi l'effet laser. La quantité de dopant est généralement mesurée en pourcentage atomique . On considère généralement le pourcentage atomique relatif dans les calculs, en tenant compte du fait que l'ion dopant ne peut se substituer qu'à une partie d'un site du réseau cristallin. Le dopage peut également être utilisé pour modifier l' indice de réfraction des fibres optiques , notamment des fibres à double gaine . Les dopants optiques sont caractérisés par leur durée de vie d'excitation et leurs sections efficaces d'absorption et d'émission, qui sont des paramètres essentiels d'un dopant actif. Généralement, la concentration de dopant optique est de l'ordre de quelques pourcents, voire inférieure. À forte densité d'excitation, l'extinction coopérative (relaxation croisée) réduit l'efficacité de l'effet laser.