Lasers femtoseconde Yb3+ : BOYS et Yb3+ : SYS

Yb3+ : BOYS and Yb3+ : SYS femtosecond lasers

• Auteur / Autrice : Pierre Raybaut
• Direction : Alain Brun
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés libres

Lasers solides

Impulsions brèves

Pompage par diodes

Matériaux laser dopés à l'ytterbium

Verrouillage de modes passif

Oscillateur femtoseconde

Résumé

Les travaux exposés dans ce mémoire concernent le développement de lasers femtoseconde entièrement pompés par diodes, utilisant de nouveaux cristaux laser dopés, à l'ytterbium, et émettant à une longueur d'onde proche de 1,06 μm. Nous étudions plus particulièrement deux cristaux récemment découverts: l'Yb3+: BOYS (ou Yb3+: Sr3Y(BO3)3) et l'Yb3+:SYS (ou Yb3+: SrY4(SiO4)3O), dont les propriétés cristallographiques, physiques et spectroscopiques sont particulièrement adaptées à la production et à l'amplification d'impulsions brèves (de durées typiques allant de 10^-14 à 10^-12 s). Dans un premier temps, nous avons réalisé deux oscillateurs femtoseconde basés respectivement sur l'Yb3+: BOYS et l'Yb3+: SYS, qui ont permis de produire des impulsions de durées respectives égales à 69 fs et 94 fs avec une énergie par impulsion de l'ordre du nanojoule, et à une cadence avoisinant la centaine de mégahertz. Le régime impulsionnel a été obtenu par verrouillage de modes passif, dont le démarrage automatique et l'excellente stabilité ont été assurés par un miroir absorbant saturable à semi-conducteur. Dans un deuxième temps, afin d'augmenter l'énergie de ces impulsions, nous avons développé plusieurs amplificateurs régénératifs basés sur 1'Yb3+: SYS. Placé en aval d'un oscillateur femtoseconde Yb3+: SYS, un de ces amplificateurs nous a conduit à la production d'impulsions d'une durée de 380 fs, ayant une énergie de 80 µJ, à une cadence de 1 kHz. Enfin, nous avons utilisé un filtre acousto-optique programmable pour modeler l'amplitude spectrale des impulsions qui sont issues de l'oscillateur femtoseconde puis injectées dans l'amplificateur régénératif. Ces expérimentations nous ont ouvert de nouvelles perspectives en validant un modèle théorique (qui a donné lieu à des simulations numériques réalistes de l'amplificateur régénératif), et en améliorant les performances de notre chaîne laser femtoseconde basée sur 1'Yb3+: SYS de sorte que des impulsions d'une durée inférieure à 300 fs devrait être produites.

This work deals with diode-pumped solid-state femtosecond lasers, based on new ytterbium-doped crystals, emtting around 1. 06 µm. We study especially two recently discovered crystals: Yb3+: BOYS (or Yb3+: Sr3Y(BO3)3) and Yb3+: SYS (or Yb3+: SrY4(SiO4)3O) which crystallographic, physic and spectroscopic properties are well adapted to short pulse generation and amplification (with duration typically from 10^-14 to 10^-12 s). To begin with, we developed two femtosecond oscillators based on Yb3+: BOYS and Yb3+: SYS, which produced 69-fs and 94-fs pulses, respectively, with an energy around 1 nJ and at a repetition rate of approximately 100 MHz. The oscillators' cavities were mode-locked in very stable regimes, and were self-started and stabilized by a semi-conductor saturable absorber mirror. Afterwards, in order to increase the energy of these pulses, we developed several regenerative amplifiers based on Yb3+: SYS. One of these amplifiers drove us to the production of 380-fs pulses, with an energy of 80 µJ, at a repetition rate of 1 kHz. Finally, we used an acousto-optic programmable filter as a pulse shaper to increase the amplified pulses spectral bandwidth. These xperimentations allowed us to validate a theoretical model that led to realistic numerical simulations of the Yb3+: SYS regenerative amplifier, and to improve the performances of the whole Yb3+: SYS : femtosecond laser, so that pulses with legs than 300-fs duration should be produced.