Études expérimentales de lasers microchips à émission continue mono-fréquence à 553 nm et à 561 nm, de puissance supérieure à 200 mW

par Corinne Chauzat (Clergeaud)

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Claude Simon et de Patrice Féron.

Soutenue le 08-01-2014

à Rennes 1 , dans le cadre de École doctorale Sciences de la matière (Rennes) , en partenariat avec Université européenne de Bretagne (PRES) et de Fonctions Optiques pour les Télécommunications (laboratoire) .

Le président du jury était Pascal Besnard.

Le jury était composé de Christian Delamarche, Daniel Rytz, Thierry Georges.

Les rapporteurs étaient Christian Lerminiaux, Pierre Benech.


  • Résumé

    Le remplacement des lasers à colorant émettant dans la gamme 550-570 nm, à l'aide de lasers solides, représente un véritable enjeu industriel. Les applications sont multiples tant dans le domaine de la recherche biomédicale que dans celui de la métrologie. Quelques solutions ont été développées à 561 nm et à 553 nm. Néanmoins, elles ne permettent pas de fournir des lasers intégrables parfaitement mono-fréquences émettant en continu un faisceau gaussien, d'une puissance supérieure ou égale à 200 mW. Dans ces travaux, nous proposons une étude théorique et expérimentale de cavités lasers solides monolithiques à base de Nd:YAG pompé par diode, doublé en fréquence en intra-cavité, à l'aide d'un cristal non-linéaire de KTP. Ces cavités, constituées de plusieurs cristaux, sont contactées par adhérence moléculaire. Elles ne contiennent aucune optique de mise en forme des faisceaux et présentent la particularité de comporter un double filtre de Lyot. Nous présentons les résultats obtenus avec des cavités émettant à 561 nm pour des puissances supérieures ou égales à 300 mW. Puis, après une étude statistique et une analyse des résultats de test de ces cavités à long terme (> 6000 heures), nous discutons des problèmes éventuels de fiabilité et nous suggérons des axes d'amélioration. Ayant réussi à faire osciller, pour la première fois, la raie à 1106 nm du Nd:YAG, nous montrons ensuite la faisabilité d'un laser compact mono-fréquence continu à 553 nm, émettant une puissance de 200 mW à 500 mW avec un rendement de conversion pompe/laser visible de l'ordre de 19 %. Pour conclure, nous montrons qu'il est possible, dans des cavités de ce type, de faire osciller des raies Raman issues des raies fondamentales et de les doubler en fréquence en intra-cavité. Nous ouvrons ainsi la porte à toute une famille de lasers solides émettant dans la gamme 540-600 nm.

  • Titre traduit

    Study of microchip lasers based on Nd : YAG frequency-doubled, diode-pumped and emitting in continuous single-frequency at 553 nm or 561 nm with an output power exceeding 200 mW


  • Abstract

    Replacement of dye lasers emitting in the range 550-570 nm, using solid state lasers, is a real industrial issue. There are many applications both in the field of biomedical research than in metrology. Some solutions have been developed for 561 nm and 553 nm. However, they do not provide fully integrated lasers emitting single-frequency continuous Gaussian beam with a power equal or up to 200 mW. In this work, we propose a theoretical and experimental study of solid monolithic cavity lasers based on Nd:YAG diode-pumped, frequency-doubled intra-cavity, using a non-linear crystal of KTP. These cavities, consisting of several crystals, are contacted by molecular adhesion. They contain no optical layout of the beams and they have the particularity of including a double Lyot filter. We present the results obtained with those cavities emitting at 561 nm for powers greater than 300 mW. Then, after a statistical study and analysis of test results of these cavities in the long term (> 6000 hours), we discuss about the potential problems of reliability and we suggest areas for improvement. For the first time, we show that the line at 1106 nm of the Nd: YAG can oscillate in this type of cavity. Then we demonstrate the feasibility of a compact single-frequency laser at 553 nm continuously, emitting a power of 200 mW to 500 mW with a conversion efficiency of pump / visible laser of about 19%. Finally, we show that it is possible, in cavities of this type, to oscillate the Raman lines from the lines of the fundamental and doubled frequency in intra-cavity. We open the door to a whole family of solid state lasers emitting in the range of 540-600 nm.



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