Amplificateurs impulsionnels à base de fibres cristallines dopées Ytterbium

Ytterbium doped single crystal fiber amplifiers for ultra-short pulses

• Auteur / Autrice : Fabien Lesparre
• Direction : Patrick Georges
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 30/01/2017
• 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
• Jury : Président / Présidente : Fabian Zomer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Georges, Inka Manek-Hönninger, Xavier Délen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ammar Hideur, Vincent Couderc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers à solide

Lasers femtoseconde

Amplificateurs optiques

Ytterbium

Lasers

Mots clés libres

Laser

Ytterbium

Amplificateur

Fibre cristalline

Impulsions

Laser

Ytterbium

Amplifier

Single-Crystal fiber

Pulse

Résumé

Les lasers à impulsions ultra-courtes (< 10 ps) ont largement démontré leur intérêt pour de nombreuses applications scientifiques, industrielles ou encore médicales. Le domaine du micro-usinage par impulsions laser est l'un des domaines les plus actifs du moment. Les dernières avancées en la matière privilégient deux axes de recherche, l'augmentation du taux de répétition associé à de fortes puissances moyennes et une montée en énergie. Nos travaux s'inscrivent dans ce contexte et visent à développer des amplificateurs d'impulsions ultracourtes innovants à base de fibres cristallines Yb:YAG délivrant de fortes puissances moyennes et de fortes énergies en régime de polarisation cylindrique. Les sources développées sont destinées à être intégrées au sein de systèmes de micro-usinage laser aux performances inédites développés dans le cadre du projet européen Razipol. Celles-ci joueront le rôle de préamplificateur fort gain au sein d'une architecture MOPA composé d'un oscillateur ultra-rapide à base de cristal d'Yb:KYW et d'un amplificateur final à base de disque mince Yb:YAG. Pour répondre à la problématique des dégradations spatiales liées à la montée en puissance moyenne dans les architectures à laser solide pompé par diode, une architecture en cascade composée de trois étages d'amplification permettant de réduire la charge thermique a d'abord été réalisée. Grâce à une fine optimisation de l’ensemble des paramètres spectroscopiques (taux de dopage des cristaux, longueur d'onde de pompe...) et géométriques (longueur des cristaux, tailles de faisceaux...) a permis d'amplifier des impulsions femtosecondes (750 fs) jusqu'à des puissances moyennes de 100 et 85 W, respectivement obtenues en polarisation linéaire et cylindrique, à la cadence de 20 MHz. Un amplificateur picoseconde de forte énergie à également été réalisé. Intégrant un dispositif de combinaison cohérente à division temporelle à 4 ou 8 répliques visant à réduire les effets non-linéaires, la source développée délivre des énergies remarquablement élevées pour ce type de système à amplification directe. Il délivre des énergies de 1 et 2 mJ à des cadences inférieures à 20 kHz. Ces résultats ont fait l'objet de 2 publications dans des revues internationales à comité de lecture. Par ailleurs les deux amplificateurs développés ont été intégrés sous la forme de systèmes compactes et robustes, utilisables par les membres du projet européen Razipol. Ces travaux ont également inspirée une nouvelle ligne de produits désormais commercialisés la société Fibercryst.

In the last decade ultra-short pulse laser (< 10 ps) have sparked increasing interest for many industrial and scientific applications. Among the geometries used so far for high-power Yb-doped diode-pumped solid-state lasers as slabs, rods and thin disks, the single crystal fiber (SCF) technology was recently shown to have a high potential for the amplification of ultrashort pulses thanks to a very efficient thermal management and high optical efficiencies. This technology combined with the cubic crystal structure of Yb:YAG offers a cylindrical symmetry of the optical and thermo-mechanical properties. Yb:YAG SCFs are therefore well suited for the amplification of cylindrically polarized beams. In the context of a European Project called RAZIPOL, we have developed new laser amplifier architectures using SCF to directly amplify femtosecond pulses to achieve high energy and high average power pulses with radial and azimuthal polarizations without any stretching and recompression of the pulses.We first demonstrate a three-stage diode-pumped Yb:YAG single-crystal-fiber amplifier to generate femtosecond pulses at high average powers with linear or cylindrical (i.e., radial or azimuthal) polarization. At a repetition rate of 20 MHz, 750 fs pulses were obtained at an average power of 85 W in cylindrical polarization and at 100 W in linear polarization. Investigations on the use of Yb:YAG single-crystal fibers with different length/doping ratios and the zero-phonon pumping at a wavelength of 969 nm were conducted in order to optimize the performances of the amplifiers.The second part of the project is focused on pulse energy scaling. In this sense, we demonstrate a two-stage Yb:YAG single-crystal-fiber amplifier designed for high peak power to significantly increase the pulse energy of a low power picosecond laser. The first amplifier stage has been designed for high gain. Using a gain medium optimized in terms of doping concentration and length an optical gain of 32dB has been demonstrated. The second amplifier stage designed for high energy using divided pulse technique allows to generate recombined output pulse energy of 2mJ at 12.5 kHz with a pulse duration of 6 ps corresponding to a peak power 320MW. Average powers ranging from 25W to 55W with repetition rates varying from 12.5 kHz to 500 kHz have been demonstrated.This results has led to the publication of 2 articles in international peer-reviewed journals and have been presented in 7 conferences. Finally this work has inspired the launch of a new line of industrial products by Fibercryst.