Synthèse et étude de cristaux oxydes laser et optique non linéaire pour des sources cohérentes émettant dans l’ultraviolet

Growth and study of oxide crystal for laser application and nonlinear optics for coherent light sources in UV region

• Auteur / Autrice : Florent Cassouret
• Direction : Gérard Aka
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 01/12/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche de Chimie Paris. Chimie Théorique et Modélisation - Institut de recherche de chimie Paris
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Matériaux pour la Photonique et l’Opto-Électronique (MPOE)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de chimie (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Wallez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérard Aka, Matias Velázquez, Alain Maillard, Pascal Loiseau, Patricia Segonds
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matias Velázquez, Alain Maillard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Croissance cristalline

Terres rares

Spectroscopie

Mots clés libres

Croissance cristalline

Borates non linéaires

Praséodyme

Spectroscopie optique

Terres rares

Optique non linéaire Laser visible

Crystal growth

Optical spectroscopy

Nonlinear borates

Praseodymium

Rare earths

Nonlinear optics

Visible laser

Résumé

Les lasers émettant dans l’ultraviolet trouvent de nombreuses applications dans les domaines de la chirurgie médicale, de l’usinage ou de la microélectronique. Actuellement, le domaine ultraviolet est principalement couvert par des lasers à gaz, encombrants, appelés lasers à excimère. Mais les lasers solides UV basé sur des cristaux convertisseur de fréquence offrent une alternative extrêmement séduisante.Ces travaux de thèses s’articulent autour de deux axes : l’élaboration de cristaux oxydes dopés praséodyme en particulier l’ASL (Sr0.7La0.3Mg0.3Al11.7O19), le LGAGO (LaGa0.6Al0.4Ge2O7) et le CYAM (CaYAl3O7) pour obtenir une émission directe dans le visible. Le second axe concerne la croissance de matériaux non linéaires qui peuvent être utilisés pour convertir cette longueur d’onde visible en UV avec en particulier YAl3(BO3)4 (YAB) ou Ca5(BO3)3F (CBF).Concernant les matériaux dopés praséodyme, des monocristaux ont été obtenu par la méthode Czochralski ou par la méthode de la zone fondue puis leurs propriétés spectroscopiques ont été caractérisées (sections efficaces d’absorption et d’émission, temps de vie de fluorescence, …). Des émissions laser ont également été obtenues dans les domaine du rouge lointain (726 nm) du rouge (640 nm) et de l’orange (620 nm) avec des échantillons de Pr :ASL de très bonne qualité optique.S’agissant des matériaux non linéaires, une optimisation des conditions de croissance du CBF en flux LiF a permis d’obtenir des cristaux totalement transparents et présentant peu d’inclusions. Une étude a également été menée pour trouver de nouveaux candidats comme flux pour la croissance de ce matériau avec notamment SrF2.Pour la croissance du YAB, deux systèmes ont été étudiés : un premier à base du borate de lanthane LaB3O6 et un second à base du tungstate Li2WO4. Plusieurs cristaux de YAB de bonne qualité optique ont pu être obtenu par croissance TSSG avec ces flux.

Ultraviolet emitting lasers have many applications in medical surgery, machining, or microelectronics. Currently, the ultraviolet domain is mainly covered by bulky gas lasers, called excimer lasers. However, solid-state UV lasers based on frequency converter crystals give an alternative path to those systems.This PhD thesis focused on two main topics: the growth of new praseodymium oxide hosts such as ASL (Sr0.7La0.3Mg0.3Al11.7O19), LGAGO (LaGa0.6Al0.4Ge2O7) and CYAM (CaYAl3O7) for visible light emission. The second topic is about the growth of nonlinear crystals which can convert this visible light into UV light such as YAl3(BO3)4 (YAB) or Ca5(BO3)3F (CBF).Pr3+ doped crystals were obtained using Czochralski or floating zone method and their spectroscopic properties were investigated (absorption and emission cross sections, fluorescence lifetime, …). Laser emissions in the deep red (726 nm), red (640 nm) and orange (620 nm) domains were obtained using Pr:ASL crystals with good optical quality.The optimisation of the growth parameters of CBF with LiF flux allows to obtain transparent crystal with only few inclusions. New fluxes for CBF growth were also studied such as SrF2.Two systems were investigated for the YAB growth: one based on lanthanum borate LaB3O6 and another based on Li2WO4. Several good quality crystals were obtained with this flux using TSSG method