Cristaux lasers Yb: YAG avec la distribution de dopage controllée

Yb:YAG laser crystals with controlled doping distribution

• Auteur / Autrice : Mikayel Arzakantsyan
• Direction : Jean-Christophe Chanteloup, Patrick Georges
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique
• Jury : Président / Présidente : Bruno Viana
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Brenier, Richard Moncorgé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers à solide

Ytterbium

Mots clés libres

Solid-state laser

Dpssl

Variable doping

Gradient doping

Large crystal

HDC growth

YAG growth

Bagdasarov method

Résumé

Le développement de lasers solides de puissance-moyenne élevée doit faire face à des problèmes très spécifiques. La gestion de la thermique et de l'amplification de l'émission spontanée (ASE) pour de larges amplificateurs lasers deviennent des points clés lorsque l'augmentation de l'énergie de vient conséquente. Lucia est une chaîne laser de forte puissance moyenne qui repose sur le concept du miroir actif avec un cristal ou une céramique d'Yb:YAG comme milieu à gain. Comme pour d'autres systèmes lasers comparables, la distribution des ions actifs du milieu à gain est homogène en volume. Un profil variable du taux de dopage présente des avantages significatifs en termes de gain et par conséquent ouvre le chemin à une minimisation efficace des effets délétères de l'ASE et de l'échauffement. Cette thèse concerne la fabrication de tels milieux à gain. La méthode de croissance cristalline Bagdasarov, grâce à plusieurs de ses particularités, a permis d'obtenir plusieurs cristaux d'Yb:YAG avec profils de dopage variables contrôlés jusqu'à des valeurs de gradient de 3 at%/cm. Les résultats expérimentaux sont en bon accord avec les modèles mathématiques. Des simulations complémentaires de la température et du profil de gain montre que même avec des gradients plus faibles, les performances énergétiques des amplificateurs Lucia peuvent être améliorées jusqu'à 30%. Il est aussi alors possible d'utiliser des milieux à gain plus fins ce qui a pour conséquence positive une meilleure extraction de la chaleur. De larges cristaux d'Yb:YAG de 90 mm de diamètre ont été produits.

Development of high average-power solid state lasers rises up issues never faced before by other laser systems. Amplified Spontaneous Emission (ASE) and Thermal management as well as availability of large size high quality gain media are becoming key limiting factors for further energy increase. Lucia is a high average-power laser chains relying on active mirror concept and trivalent Yb doped YAG crystals/ceramics (Yb:YAG) as a gain medium. As for other similar laser systems, Lucia gain media carries a constant distribution of activator ions. Variable doping distribution offers significant advantages in terms of gain distribution and therefore opens the path to efficient ASE and thermal deleterious effects mitigation. Processing of such gain media is the subject of this thesis. Thanks to several particularities, the Bagdasarov method for crystal growth allowed to obtain several Yb:YAG crystals with controlled gradient of doping distribution with values up to 3 at%/cm. The results are in good accordance with mathematical models. Further simulations of temperature and gain distribution show that even smaller gradients can improve energetic characteristics of Lucia amplifiers up to 30% as well as allow using thinner gain medium by this improving heat evacuation. Large laser Yb:YAG crystals are obtained with diameters up to 90 mm.