Pompage par LED de concentrateurs luminescents et de lasers dopés aux métaux de transition

LED-pumping of luminescent concentrators and transition-metal doped lasers

• Auteur / Autrice : Pierre Pichon
• Direction : François Balembois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 24/09/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry / Lasers - Effilux
• Jury : Président / Présidente : Fabien Bretenaker
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Balembois, Olivier Musset, Catherine Le Blanc, Philippe Adam
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Agnès Desfarges-Berthelemot, Olivier Musset

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement infrarouge

Pompage optique

Métaux de transition

Luminescence

Diodes électroluminescentes

Lasers à solide

Mots clés libres

Diodes électroluminescentes (LED)

Laser

Concentrateur luminescent

Métaux de transition

Pompage par LED

Short-Wave Infrared (SWIR)

LED

Laser

Luminescent concentrator

Transition metals

LED-Pumping

Short-Wave Infrared (SWIR)

Résumé

Depuis le début des années 2000, les performances des LED ne cessent de s'améliorer et permettent l'ancrage de cette technologie dans de nombreux domaines d'applications. Stimulées par le marché de l'éclairage, les LED présentent une longue durée de vie et une grande robustesse pour un prix par watt optique défiant toute concurrence. Pour améliorer leur luminance, les LED peuvent être couplées à des concentrateurs luminescents.La première partie de cette thèse expose la mise au point des premiers concentrateurs luminescents dans SWIR (gamme 1,2-2,5 µm où les LED sont peu efficaces). Nous montrons que la luminance des concentrateurs luminescents dans le SWIR dépasse celle des LED d'un ordre de grandeur. Elle rend possible la détection de l'eau dans l'industrie agroalimentaire ainsi que l'inspection de wafers de silicium. Dans le visible, les performances des concentrateurs luminescents (luminance, spectre, prix, régime de fonctionnement) offrent une combinaison unique des avantages des lampes flash et des diodes laser. La seconde partie de cette thèse explore la possibilité d'utiliser ces concentrateurs luminescents pour pomper des lasers solides. Cette étude démontre la compatibilité de ce nouveau type de pompage avec les cristaux dopés aux métaux de transition, incontournables dans le domaine des lasers ultra-courts. Pour la première fois, un effet laser en régime relaxé est obtenu via le pompage par LED du Cr:LiSGaF, du Cr:LiSAF, de l’alexandrite, et du Ti:saphir. Ces premières démonstrations ouvrent la voie à des systèmes laser basés sur le pompage par LED. Plusieurs systèmes sont mis en place tels que des oscillateurs lasers en régime déclenché (Q-switch et cavity-dump) faisant l'objet de conversions de fréquence, et des amplificateurs d'impulsions laser.

Since the beginning of the 2000s, LED's performance have known dramatic improvements which enable this technology to settle down in numerous application areas. Driven by the lighting market, LED are characterized by their long lifetime, their ruggedness, and their low cost per emitted optical watt. In order to go beyond LED's brightness, they can be coupled to luminescent concentrators.The first part of this work exposes the development of the first luminescent concentrator in the short-wave infrared (or SWIR corresponding to the 1.2-2.5 µm band where LED have very low powers). This work shows that the brightness of the luminescent concentrators in the SWIR exceeds by one order of magnitude LED's brightness in the same spectral range. This light source allows water detection for the agrifood industry and the inspection of silicon wafers for microelectronics. In the visible, the performance of luminescent concentrators (brightness, spectrum, price, mode of operation) offer a unique trade-off between flashlamps and laser diodes. The second part of this work investigates the use luminescent concentrators emitting in the visible to pump solid-state lasers. The compatibility of this new pumping concept is attested with transition-metals-doped crystals, cornerstone of ultrafast laser sources. For the first time, laser oscillations in free-running operation are obtained by LED-pumping of Cr:LiSGAF, Cr:LiSAF, alexandrite and Ti:sapphire. These early results open the way to LED-pumped laser systems. Several systems are implemented such as laser oscillators in pulsed operation (Q-switch and cavity dump) followed by frequency conversions and laser pulses amplifiers.