Amplificateurs laser à cristaux massifs pompés par diode : fibres cristallines Yb : YAG et cristaux Nd : YVO4

par Xavier Delen

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de François Balembois.

Soutenue le 04-12-2013

à Palaiseau, Institut d'optique théorique et appliquée , dans le cadre de Ecole doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 1998-2015) , en partenariat avec Laboratoire Charles Fabry / Lasers (laboratoire) .

Le président du jury était Fabien Bretenaker.

Le jury était composé de Philippe Adam, Patrice Camy, Catherine Le Blanc, Catherine Le Blanc.

Les rapporteurs étaient Alain Barthélémy, Éric Cormier.


  • Résumé

    Un grand nombre d’applications réclament des sources laser en régime impulsionnel toujours plus puissantes et énergétiques. Les progrès continus des technologies laser permettent non seulement d’améliorer les performances de l’outil laser mais aussi d’ouvrir la voie à de nouvelles applications. Cependant, l'augmentation de la puissance des sources laser est aussi accompagnée par une complexification des systèmes. Cette thèse porte sur l’étude d’amplificateurs laser de puissances qui se distinguent par la simplicité de leurs architectures : avec un ou deux passages dans le milieu laser. Dans la première partie, nous étudions le potentiel de la fibre cristalline Yb: YAG pompée par diode en tant qu’amplificateur. Les effets de confinement de l’intensité de pompe au centre de la fibre cristalline par guidage sont étudies théoriquement et expérimentalement. Deux expériences démontrent ensuite l’intérêt de la fibre cristalline Yb:YAG en tant qu’amplificateur de puissance de sources laser à fibres, l’une en régime femtoseconde et l’autre avec un laser mono-fréquence. Par ailleurs, nous explorons le potentiel de notre concept en régime de forte puissance. Une puissance de 250 W en oscillateur et une extraction de 100 W en amplificateur ont été obtenues avec une diode de pompe de 600 W. La deuxième partie traite de l’étude d’amplificateurs à base de cristaux de Nd:YVO4. Le dimensionnement de notre système est réalisé en s’appuyant sur une étude des propriétés du Nd:YVO4. L’amplificateur ainsi obtenu affiche des performances inédites qui se caractérisent par un très fort gain optique (40-60 dB) couplé à une forte extraction de puissance moyenne (10 à 15 W).

  • Titre traduit

    Diode-pumped solid-state amplifiers : yb : YAG single crystal fibers and Nd : YVO4 crystals


  • Résumé

    A wide range of scientific and industrial applications require pulsed laser sources delivering increasing amount of powers and pulse energies. Continuous progresses in the field of laser technology do not only bring significant process efficiency improvements but also allow developing new applications. However, the complexity of laser sources has significantly increased over the years together with their performance. In contrast, this work focuses on power amplifier architectures which are particularly simple (with one or two passes). In the first part, we study the potential of Yb:YAG single crystal fibers. Pump intensity confinement by the pump beam guiding is studied in details both theoretically and experimentally. Two experiments demonstrate the interest of Yb:YAG single crystal fibers as a power amplifier for fiber based laser sources, one in femtosecond regime and the other one with a single frequency laser. Furthermore, the potential of our architecture is also explored in high power regime. An output power of 250 W for the oscillator and 100 W power extraction with the amplifier were obtained with a 600 W pump diode. The second part describes the study of laser amplifiers using longitudinally pumped Nd:YVO4 bulk crystals. We study the effect of temperature increase in the laser crystal and evaluate the influence of the doping concentration and excited state population on the heat load. Guided by the conclusion of our study, we design a high gain amplifier characterized by very high optical gain (40-60 dB) coupled to a high average power extraction (10 to 15 W)


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