Laser organique liquide pompé par diode : Vers un fonctionnement quasi-continu

Diode pumped liquid organic lasers : Toward quasi-continuous wave operation

• Auteur / Autrice : MD Amir Hamja
• Direction : Sébastien Forget, Sébastien Chénais
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 25/03/2022
• Etablissement(s) : Paris 13
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des lasers (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Jury : Président / Présidente : David Kreher
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Chénais, David Kreher, Patrice Camy, Loïc Mager, Gaelle Lucas-Leclin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrice Camy, Loïc Mager

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers en physique

Lasers à colorants

Mots clés libres

Laser organique

Pas de circulation de solution

Photostabilité

Organic Laser

No solution circulation

Photostability

Résumé

Les lasers à colorant ont été les toutes premières sources cohérentes accordables dans l'histoire des lasers. Ces lasers, basés sur la circulation d'une solution de colorant, sont aujourd'hui considérés comme trop encombrants et pénibles à utiliser, ce qui pousse la recherche vers l'exploration de diverses alternatives à l'état solide. Mais ces alternatives à l'état solide souffrent d'une faible puissance, d'une mauvaise photostabilité et ne peuvent pas être utilisées en onde continue (CW)/quasi-continue (q-CW). Par conséquent, afin de trouver une solution possible, ce travail explore pour la première fois les performances de photo-stabilité obtenues avec une conception dans laquelle une cuvette spectroscopique remplie d'une solution de colorant sans aucune circulation est utilisée comme milieu de gain sous pompage par diode, ce qui permet de réaliser un laser à faible coût, compact et convivial qui peut être comparé aux lasers à colorant à l'état solide mais avec la stabilité des lasers à colorant liquide d'ancienne génération. Le laser présenté, en plus d'être efficace (efficacité optique ~ 18%) est photostable jusqu'à environ un milliard d'impulsions à une fréquence de répétition de 1 kHz, ce qui est 5 ordres de grandeur plus élevé que la photostabilité d'un laser à colorant à l'état solide dans les mêmes conditions. Cette photostabilité exceptionnellement élevée peut être attribuée à la diffusion moléculaire ou à un lent flux convectif de molécules dû à un chauffage localisé dans le milieu, ce qui pourrait être suffisant pour permettre un renouvellement du milieu de gain entre des impulsions consécutives. Cependant, malgré une photostabilité élevée, le laser n'a pas pu être exploité au-delà de 2,4 kHz et n'a pas pu produire des durées d'impulsion supérieures à quelques µs. Nous montrons ici que leur limite opérationnelle en termes de taux de répétition n'est pas due à une limite fondamentale imposée par l'accumulation d'états triplets dans le composé organique, ce qui est souvent supposé être le cas dans les lasers organiques à l'état solide. Au contraire, nous démontrons que cette limite est due à la lentille thermique. Nous avons mesuré la composante sans aberration de la lentille thermique par une expérience pompe-sonde et démontré une prolongation possible de l'effet laser jusqu'à 14 kHz avec une correction intracavité appropriée de la lentille thermique. Pour vérifier l'universalité de notre affirmation, nous avons également testé un second colorant et avons obtenu des résultats similaires. En revanche, les lasers à colorant à l'état solide ont besoin d'un milieu de gain mobile afin de fonctionner à des taux de répétition élevés et de surmonter une photodégradation abrupte. Enfin, nous montrons que ces lasers peuvent également produire un effet laser allant jusqu'à 80 µs lorsqu'ils sont fortement multimodes. Bien que nous ayons démontré expérimentalement le fonctionnement de ces longues impulsions, des recherches théoriques et expérimentales supplémentaires sont nécessaires pour comprendre leur comportement d'effet laser multimode, ce qui peut être une perspective future de ce travail. Une autre perspective de ce travail serait d'étudier le verrouillage de mode dans un laser organique, ce qui nécessite que le laser soit idéalement CW ou q-CW. Nous pensons que notre laser peut être un bon candidat pour l'étude de telles applications laser et donc, à la fin de cette thèse, nous donnons également quelques directions et voies utiles pour développer un laser organique à verrouillage de mode à faible coût, compact, convivial et accordable dans le futur.

Dye lasers have been the very first coherent tunable sources in the history of lasers. These lasers, based on dye solution circulation, are now considered too bulky and painful to operate, pushing research towards the exploration of various solid-state alternatives. But these solid-state alternatives suffer from low power, poor photo-stability and cannot be operated in Continuous wave (CW)/quasi-Continuous wave (q-CW). Therefore, to find a possible solution this work explores for the first time the photo- photo-stability performance obtained with a design in which a spectroscopic cuvette filled with dye solution without any circulation is used as a gain medium under diode-pumping, making a low-cost, compact and user-friendly laser which can be compared to solid-state dye lasers but with the stability of older generation liquid dye lasers. The reported laser, in addition of being efficient (optical efficiency ~ 18%) is photo-stable up to roughly a billion of pulses at 1 kHz repetition rate, which is 5 orders of magnitude higher than the photo-stability of a solid-state dye laser in the same conditions. This unusually high photo-stability maybe attributed to molecular diffusion or slow convective flow of molecules due to localized heating in the medium, which might be sufficient to allow a replenishment of the gain medium between consecutive pulses. However, despite being highly photostable, the laser could not be operated beyond 2.4 kHz and could not produce pulse duration longer than few µs. We show here that their operational limit in repetition rates is not due to a fundamental limit imposed by triplet state accumulation in the organic compound which is often assumed to be the case in solid-state organic lasers. Instead, we demonstrate that this limit is due to thermal lensing. We measured the aberration-free component of the thermal lens by a pump-probe experiment and demonstrated a possible prolongation of lasing up to 14 kHz with a proper thermal lens intracavity correction. To check the universality of our claim, we also tested a second dye and found similar results. In contrast, solid-state dye lasers need a moving gain medium in order to be operated at high repetition rates and overcome abrupt photodegradation. Finally, we show that these lasers can also produce up to 80 µs lasing when they are highly multimode. Though we demonstrated such long pulse operation experimentally, more theoretical, and experimental investigation is required to understand their multimode lasing behavior which can be a future perspective of this work. Another perspective of this work would be to investigate mode-locking in organic laser which requires that the laser should be ideally CW or q-CW. We believe that our laser can be a good candidate for investigating such laser applications and hence, at the end of this thesis, we also give some useful direction and pathways to develop a low cost, compact, user friendly and tunable mode-locked organic in laser in future.