Systèmes laser pompés par diode à fibres cristallines : oscillateurs Er : yAG, amplificateurs Nd : yAG

par Igor Martial

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de François Balembois.

Soutenue le 12-12-2011

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 1998-2015) , en partenariat avec Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne ; 1998-....) (laboratoire) et de Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique / Lasers (laboratoire) .

Le président du jury était Fabien Bretenaker.

Le jury était composé de François Balembois, Fabien Bretenaker, Patrice Camy, Olivier Musset, Jean-Eucher Montagne, Julien Didierjean, Marc Eichhorn.

Les rapporteurs étaient Patrice Camy, Olivier Musset.

mots clés

• Lasers solides
• Fibres cristallines
• Cristal dopé erbium
• Sécurité oculaire
• Cristal dopé néodyme
• Lasers à solide
• Erbium
• Néodyme

Résumé

Au cours de cette thèse, nous nous intéressons à deux applications nécessitant des sources laser impulsionnelles : l'imagerie active et l'usinage laser. L'imagerie active nécessite des sources laser efficaces émettant dans la gamme de sécurité oculaire (entre 1,5 µm et 1,7 µm) à des cadence de l'ordre du kilohertz et produisant des énergies par impulsion de plusieurs millijoules. Les sources efficaces émettant dans la gamme de sécurité oculaire utilisent l'ion erbium. Cependant la structure électronique complexe de l'ion erbium entraîne de nombreux effets parasites qui limitent fortement l'énergie accessible lors d'un fonctionnement à haute cadence. Pour diminuer l'influence de ces effets parasites nous avons utilisé le concept de fibres cristallines dans le cadre d'une collaboration entre le Laboratoire Charles Fabry et l'entreprise Fibercryst. La géométrie des fibres cristallines, combinant les propriétés des cristaux massifs et les avantages des fibres en verre nous a permis de dépasser les limites des sources actuelles. L'usinage de matériaux requière des sources laser impulsionnelles émettant dans le proche infrarouge (1 µm) et alliant forte énergie, forte puissance crête et forte puissance moyenne. Pour réaliser de telles sources, il est nécessaire d'utiliser des milieux à gain permettant de limiter les phénomènes thermiques et les effets induit par la puissance crête (effets non-linéaires). Pour cela nous avons utilisé à nouveau le concept de fibre cristalline, dopée cette fois ci par l'ion néodyme. Ces fibres cristallines ont été utilisées comme amplificateur de puissance pour amplifier des micro-lasers fonctionnant à haute cadence (de 1 à 100 kHz) et produisant des impulsions courtes (< 1 ns).

mots clés

• Solid-state lasers
• Single crystal fibers
• Erbium doped crystal
• Eye-safe
• Neodymium doped crystal

Titre traduit

Diode pumped laser systems with single crystal fibers : er : yAG oscillators, Nd : yAG amplifiers

Résumé

In this thesis we investigate two different pulsed laser sources for two specific applications : remote sensing and material processing. On the first part, remote sensing require efficient laser source emitting in the eye-safe range (1.5 – 1.7 µm) and producing several millijoules per pulse at a few kilohertz. Efficient eye-safe laser sources use erbium doped gain media. Nevertheless, the complex electronic structure of the erbium ion leads to several parasitic effects which limit the energy at high repetition rate. In order to minimize those effects we have used the concept of single crystal fibers developed in a close collaboration between the Laboratoire Charles Fabry and the company Fibercryst. The specific geometry of single crystal fibers, merging the advantages of bulk crystals and optical fibers, allows us to overcome limits of current laser sources. On the other part, material processing require near-infrared pulsed laser sources (1 µm) with high pulse energy, high average power and high peak power. In such laser sources, the amplifying medium must be design to avoid both thermal effects and non liner effects. For this purpose, we used neodymium doped single crystal fibers as power amplifier to enhance the performance of passively q-switched microlasers operating at high repetition rate (1 to 100 kHz) and emitting short pulses (< 1 ns).