Développement de lasers à trois niveaux pompés par diode dans les cristaux dopés néodyme et ytterbium

Diode-pumped three-level lasers in neodymium and ytterbium doped crystals

• Auteur / Autrice : Marc Castaing
• Direction : François Balembois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers à semiconducteur

Néodyme

Lasers

Ytterbium

Mots clés libres

Laser pompé par diode

Résumé

Le remplacement des lasers à gaz émettant à 488 nm ou à 442 nm, à l’aide de lasers solides, représente un véritable enjeu industriel. De nombreuses solutions ont été développées, néanmoins, celle consistant en le doublement de fréquence d’une oscillation autour de 884 nm (cristaux dopés aux ions Nd3+) ou de 976 nm (cristaux dopés aux ions Yb3+) a toujours été écartée, de par la nature à trois niveaux des transitions mises en jeu. La très forte réabsorption du milieu à la longueur d’onde laser rend, à première vue, cette alternative peu efficace. Grâce à la significative amélioration de la luminance des diodes de pompe, ce problème peut désormais être dépassé et l’oscillation de ces transitions envisagée. Dans ces travaux, nous proposons une étude théorique et expérimentale de l’oscillation laser en pompage par diode des transitions à trois niveaux dans les cristaux dopés aux ions Nd3+ et Yb3+. Tout d’abord nous présentons l’étude du pompage direct par diode d’un cristal de Nd:GdVO4 émettant à 880 nm, qui après doublement de fréquence nous permet de proposer une alternative aux lasers à HeCd. Nous présentons ensuite un nouveau concept, le pompage en intracavité, que nous appliquons aux cristaux dopés aux ions Yb3+ pour obtenir un effet laser autour de 980 nm. En effet, à l’intérieur d’une cavité laser, la forte puissance circulante est couplée à une bonne qualité spatiale de faisceau; ces caractéristiques représentent les conditions optimales de pompage d’une transition à trois niveaux. En conclusion, nous proposons une comparaison théorique des différents types de pompage proposés, permettant de dégager avantages et inconvénients de chacune de ces deux configurations.

The replacement of gas lasers emitting at 488 nm or 442 nm by solid state configurations is a true challenge due to the industrial stake that it represents. Substitution solutions have been developed, nevertheless, the one consisting of the second harmonic generation (SHG) of 884 nm or 976 nm emissions in bulk configuration was always put away due to the three-level nature of the transitions which had to be used. Indeed the very strong re-absorption at the lasing wavelength (884 nm for Nd3+ and 976 nm for Yb3+) made them unsuitable for an efficient laser action in diode-pumped configuration. The improvement of the laser-diode brightness has recently opened the door for using these transitions. In this manuscript we present a theoretical and experimental study on diode-pumped three-level lasers in Nd3+ doped and Yb3+ doped crystals. Firstly, we propose the study of the direct diode pumping of an Nd:GdVO4 crystal, emitting at 880 nm, which after second harmonic generation give us an alternate solution to HeCd lasers. We present then, a new concept, the intracavity pumping, that we apply to Yb3+ doped materials, to achieve laser action around 980 nm. Indeed, inside a laser cavity, the very important circulating power is coupled to a good spatial beam quality; these two points are the key points for an efficient pumping of threelevel transitions. As a conclusion we give a comparison of the direct and indirect diode pumping of three-level laser transitions, and highlight the advantages of each configuration.