Développement de nouvelles sources laser à base de matériaux dopés par des ions ytterbium émettant vers 976 nm

Development of new laser sources based on ytterbium-doped materials emitting at 976 nm

• Auteur / Autrice : Aude Bouchier
• Direction : Patrick Georges
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés libres

Source laser

Source infrarouge

Source bleue

Optique non linéaire

Fibres dopées ytterbium

Cristaux dopés ytterbium

Résumé

Les sources laser emettant autour de 976 nm sont necessaires dans les telecommunications optiques pour le pompage des amplificateurs a fibre dopee par des ions erbium, ou pour realiser une source a 488 nm apres une conversion non lineaire. Les sources monomodes transverses avaient au debut de ma these des puissances limitees a 1 w. De plus fortes puissances etaient demandees. Nous avons etudie des sources basees sur les materiaux dopes par des ions ytterbium, qui presentent une importante section efficace d'emission autour de 976 nm. Mais l'absorption a 976 nm est tres forte, liee au caractere trois niveaux de la transition, necessitant un pompage a 915 nm intense pour obtenir la transparence a 976 nm. Deux solutions ont ete testees. Les fibres monomodes dopees par des ions ytterbium nous ont permis de developper differentes sources, dont un laser affine spectralement tres efficace (72 %), qui a servi a realiser une source a 488 nm par doublement de frequence dans un guide d'onde non lineaire en niobate de lithium polarise periodiquement, avec une efficacite de conversion de 26 %. Nous avons aussi etudie l'amplification d'une diode laser impulsionnelle a 976 nm dans ces fibres, et realise le doublement de la frequence de cette source avec une efficacite de 34 %. Pour dimensionner les fibres utilisees, nous avons simule la propagation des faisceaux dans ces fibres. Nous avons etudie egalement le potentiel des cristaux de yb:ky(wo4)2. Ils ont montre un fort gain a 981 nm avec un pompage par un laser a saphir dope au titane a 931 nm. L'intensite des diodes laser a 931 nm actuelles est limitee, interdisant le pompage par diode de ces cristaux.

Laser sources emitting around 976 nm are used for telecommunications, to pump erbium-doped fiber amplifiers, or to build sources emitting around 488 nm after a non linear conversion stage. The available power of transverse single-mode sources was lower than 1 w at the beginning of my thesis, and sources with higher powers were studied. We have chosen to propose sources based on ytterbium-doped materials. Ytterbium ions present a high emission cross-section at 976 nm, but the absorption at this wavelength is also strong, due to the three-level behavior of the transition. An intense pumping at 915 nm is thus necessary to obtain the doped area transparency at 976 nm. We have studied two solutions. Ytterbium-doped single-mode fibers allowed us to develop efficiency sources, like a spectrally narrowed laser, with a high efficiency of 72 %. It has been used to realize a source emitting at 488 nm with a non linear periodically-poled lithium niobate waveguide, with an efficiency of 26 %. In this aim, we have also studied the amplification in the ytterbium doped fiber of a pulsed laser diode at 976 nm, and the frequency conversion of this source in the blue with an efficiency of 34 %. To optimize these sources, we have theoretically studied the propagation of beams in the fiber. Another solution is to use ytterbium-doped ky(wo4)2 crystals. We have demonstrated a high gain at 981 nm under titanium-doped sapphire laser pumping at 931 nm nevertheless, laser diode pumping of these crystals is not actually possible, because of the insufficient brightness of laser diode.