Spectroscopie et caractérisation laser de cristaux massifs et de couches minces cristallines de fluorures dopés terres rares autour de 2um

par Mohamed Salhi

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Patrice Camy et de Jean-Louis Doualan.

Le président du jury était Virginie Nazabal.

Le jury était composé de Patrice Camy, Jean-Louis Doualan, Bruno Viana, Joël Charrier, Ammar Hideur.

Les rapporteurs étaient Bruno Viana, Joël Charrier.


  • Résumé

    Depuis les années 1970, le développement des sources lasers de puissance fonctionnant autour de 2 µm basées sur des cristaux dopés Thulium Tm3+ et/ou Holmium Ho3+est un domaine de recherche actif du fait de ses multiples applications. L’émission autour de 1.9 µm correspond à une transition du niveau excité 3F4 vers le niveau fondamental 3H6 dans un ion trivalent Tm3+, alors que l’émission à 2 µm et au-delà correspond à la transition entre le niveau 5I7 et le niveau fondamental 5I8 de l’ion Ho3+. Ces transitions laser font aujourd’hui l’objet de nombreuses applications dans domaines très variés. nous avons étudié les propriétés spectroscopiques de cristaux de fluorures dopés terres rares en vue d’une émission autour de 2 µm. À partir des spectres d’absorption obtenus, l’analyse de Judd-Ofelt a permis de calculer les durées de vie radiatives ainsi que les rapports de branchement dans les ions Tm3+ et Ho3+. En comparaison avec d’autres cristaux tels que les oxydes, les durées de vie des niveau 3F4(Tm3+) et 5I7(Ho3+) dans les cristaux de fluorures sont plus longues ce qui favorise un fonctionnement laser en régime impulsionnel. Une étude sur la dynamique de fluorescence a été réalisée afin de caractériser l’émission autour de 1.9µm de l’ion Tm3+ et celle autour de 2µm de l’ion Ho3+. Les spectres d’émission obtenus offrent de larges bandes, assez structurées dans la matrice LiYF4 et plus larges et moins structurées dans la matrice CaF2. Dans un second temps, en mesurant les durées de vie du niveau émetteur 3F4 pour différentes concentrations en ions Tm3+, nous avons calculé les paramètres de transferts. Les résultats obtenus ont montré que le processus de relaxation croisée est beaucoup plus efficace dans le cristal CaF2 que dans le LiYF4. Nous avons calculé également les coefficients de transfert et de transfert inverse entre les ions Tm3+ et Ho3+ suite à une excitation de l’ion Tm3+. Nous avons montré que la matrice LiYF4 offre une meilleure efficacité de transfert en vue d’une émission autour de 2µm. Le fonctionnement laser de couches minces en configuration « disque mince » a été étudié. Une première démonstration d’un laser en disque mince LiYF4 : Tm émettant à 1.9 µm réalisé à partir d’une couche épitaxiée par LPE a été faite. En simple passge, une puissance de sortie de 306 mW et une efficacité laser de 36% en puissance absorbée sont atteintes pour une couche de 240 μm d'épaisseur.nous avons étudié un oscillateur laser en guide d’onde LiYF4 :Tm en géométrie planaire et linéaire. Ces guides sont caractérisés par de faibles pertes de propagation grâce à la qualité du procédé de fabrication. Une puissance maximale de 470 mW et un rendement de 14% en puissance incidente ont été obtenus. Une modélisation numérique de l’amplification optique montre que le guidage des faisceaux pompe et sonde permet d’atteindre des gains importants. Le modèle est ensuite adapté pour le régime de saturation afin de calculer le rendement d’extraction et de déterminer le potentiel des guides LiYF4 :Tm3+ en tant comme amplificateur autour de 1.9 µm

  • Titre traduit

    Spectroscopy and laser characterization of massive crystals and crystalline thin films of rare earth-doped fluorides around 2 μm


  • Résumé

    Since the 1970s, the development of power laser sources operating around 2 μm based on Thulium Tm3 + and / or Holmium Ho3 + doped crystals is an active field of research because of its multiple applications. The emission around 1.9 μm corresponds to a transition from the excited level 3F4 to the fundamental level 3H6 in a trivalent ion Tm3 +, whereas the emission at 2 μm and beyond corresponds to the transition between the level 5I7 and the fundamental level 5I8 of the Ho3 + ion. These laser transitions are today the subject of many applications in a wide variety of fields. We have studied the spectroscopic properties of rare earth doped fluoride crystals for emission around 2 μm. From the absorption spectra obtained, the Judd-Ofelt analysis made it possible to calculate the radiative lifetimes as well as the branching ratios in the Tm3 + and Ho3 + ions. In comparison with other crystals such as oxides, the lifetimes of the 3F4 (Tm3 +) and 5I7 (Ho3 +) levels in the fluoride crystals are longer, which favors pulse-mode laser operation. A study on fluorescence dynamics was carried out in order to characterize the emission around 1.9 μm of the Tm3 + ion and that around 2 μm of the Ho3 + ion. The emission spectra obtained have broad bands, fairly structured in the LiYF4 matrix and wider and less structured in the CaF2 matrix. In a second step, by measuring the lifetimes of the 3F4 emitter level for different Tm3 + ion concentrations, we calculated the transfer parameters. The results obtained showed that the process of cross relaxation is much more efficient in the CaF2 crystal than in LiYF4. We also calculated the transfer and inverse transfer coefficients between Tm3 + and Ho3 + ions following excitation of the Tm3 + ion. We have shown that the LiYF4 matrix offers a better transfer efficiency with a view to emission around 2 μm. The laser operation of thin layers in "thin disc" configuration has been studied. A first demonstration of a thin-film LiYF4: Tm laser emitting at 1.9 μm made from an epitaxial layer with LPE was made. In single passge, an output power of 306 mW and a laser efficiency of 36% in absorbed power are reached for a 240 μm thick layer. We have studied a laser oscillator in LiYF4: Tm waveguide in planar geometry. and linear. These guides are characterized by low propagation losses thanks to the quality of the manufacturing process. A maximum power of 470 mW and a yield of 14% in incident power were obtained. A numerical modeling of the optical amplification shows that the guidance of the pump and probe beams makes it possible to achieve significant gains. The model is then adapted for the saturation regime in order to calculate the extraction efficiency and to determine the potential of the LiYF4: Tm3 + guides as an amplifier around 1.9 μm


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  • Détails : 1 vol. (204 p.)
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