Développement de sources laser à fibre dopée Nd3+ pour une émission autour de 900 nm et 450 nm

Development of Nd-doped fiber laser sources for an emission around 900 nm and 450 nm

• Auteur / Autrice : Baptiste Leconte
• Direction : Hervé Gilles
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, optique et lasers, optoélectronique, micro-ondes
• Date : Soutenance en 2016
• Etablissement(s) : Caen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale structures, informations, matière et matériaux (Caen ; 1992-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la photonique (Caen ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Normandie Université (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Chartier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Gilles, Thierry Chartier, Philippe Roy, Mathieu Laroche, Thierry Robin, Giorgio Santarelli
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Thierry Chartier, Philippe Roy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fibres optiques

Néodyme

Lasers

Optique

Résumé

De nombreux secteurs d’activité incluant les télécommunications et le biomédical nécessitent une source laser émettant dans le domaine spectral bleu avec une qualité de faisceau proche de la limite par diffraction. Pour obtenir une telle source, la solution retenue au cours de ce travail de thèse consiste à développer un système laser à fibre dopée Nd3+ de forte puissance opérant sur la transition 4F3/2-4I9/2 de l’ion Néodyme à 900 nm. Après doublage de fréquence dans un cristal non-linéaire, il devient alors possible d’accéder à des longueurs d’onde avoisinant 450 nm. Dans les fibres aluminosilicates, il existe néanmoins une forte compétition entre la transition 4F3/2-4I9/2 à 3 niveaux d’énergie de l’ion Nd3+ et la transition 4F3/2-4I11/2 autour de 1060 nm présentant un schéma à 4 niveaux d’énergie, ce qui constitue le principal obstacle à l’obtention d’une émission laser efficace à 900 nm. Dans un premiers temps, une étude théorique nous permet de déterminer les paramètres géométriques optimaux de fibres dopées Nd3+ à structure double-gaine afin de favoriser l’émission laser sur la transition d’intérêt. Ces fibres optimisées, réalisées par notre partenaire industriel iXblue, sont utilisées dans différentes architectures laser et d’amplification permettant notamment un accord en longueur d’onde sur une large gamme spectrale autour de 900 nm et l’amplification sélective de modes transverses. Dans ce cadre, les performances atteintes en termes de puissance et de qualité spatiale de faisceau à 900 nm autorisent une conversion de fréquence efficace autour de 450 nm, ce qui a mené au développement de nouvelles sources laser bleues opérant en régimes continu et impulsionnel.

Many fields including telecommunications and biomedicine require a laser source emitting in the blue spectral region with a diffraction-limited beam. To obtain such a source, the solution adopted in this thesis work is to develop a high-power Nd-doped fiber laser source operating on the 4F3/2-4I9/2 transition of Neodymium ion at 900 nm. After frequency doubling in a non-linear crystal, it is then possible to have access to wavelengths around 450 nm. However in aluminosilicate fibers, there is a strong competition between the three-level transition 4F3/2-4I9/2 of Nd3+ ion and the four-level scheme of the 4F3/2-4I11/2 transition around 1060 nm, which constitutes the main obstacle to overcome to obtain an efficient laser emission at 900 nm. As a first step, a theoretical study allows us to determine optimal geometrical parameters of double-clad Nd-doped fibers to foster laser emission on the transition of interest. Once fabricated by our industrial partner iXblue, the optimized fibers are used in several laser and amplification architectures leading for instance to wavelength-tunability on a wide spectral bandwidth around 900 nm and to selective amplification of transverse guided modes. In parallel, performances reached in terms of power and beam spatial quality at 900 nm permits an efficient frequency conversion, which led to the development of new blue laser sources operating in continuous-wave and pulsed regimes around 450 nm.