Pompage haute brillance de matériaux dopés ytterbium pour la génération et l’amplification d’impulsions femtosecondes à haute cadence

High brightness pumping of ytterbium doped materials for femtosecond pulses generation and amplification at high repetition rate

• Auteur / Autrice : Pierre Sevillano
• Direction : Éric Cormier, Dominique Descamps
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/09/2017
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Lasers Intenses et Applications (Bordeaux ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Evelyne Fargin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dimitri Papadopoulos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Sudmeyer, Marc Hanna

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers à fibre

Ytterbium

Lasers femtoseconde

Mots clés libres

Femtoseconde

Ytterbium

Haute brillance

Femtosecond

Ytterbium

High brigthness

Résumé

Ce mémoire présente l’étude du pompage haute brillance appliqué à des architectures lasers basées sur des matériaux dopés à l’ytterbium dans le but de générer et d’amplifier des impulsions femtosecondes intenses, ultra-brèves et à haute cadence. L’excellente qualité spatiale des dispositifs de pompage basés sur des lasers à fibre, utilisés au cours de ces travaux, nous a permis de réaliser plusieurs oscillateurs basés sur la technique de blocage de mode par effet Kerr. Grâce à cette méthode et à l’utilisation de matériaux possédant d’excellentes propriétés thermomécaniques et une large bande d’amplification,nous avons pu générer des impulsions ultra-brèves tout en conservant une puissance moyenne importante.En régime solitonique tout d’abord, où des impulsions de 48 fs (2.7 W) et de 32 fs (90 mW) ont été générées sur Yb : CaF2 et Yb : CALGO. En régime de dispersion positive ensuite, où nous avons étudié un oscillateur Yb : CALGO capable de générer des impulsions de 91 fs après compression (4,5 W, 96 MHz). La seconde partie de ces travaux exploite les propriétés spatiales de ces sources brillantes pour maintenir une intensité de pompage élevée sur plusieurs centimètres et accroître le gain par passage dans le matériau amplificateur. Avec de l’Yb : CaF2, deux architectures ont été étudiées : un amplificateur simple passage en régime d’extraction de puissance moyenne, permettant l’amplification sans dispositif d’étirement temporel d’impulsions femtosecondes avec un fort gain (70 fs, 16.5 W), et un amplificateur de type régénératif permettant de délivrer des impulsions énergétiques sub-150 fs de 3 kHz à 100 kHz, avec des énergies allant jusqu’au niveau du mJ.

This work investigates the concept of high-brightness optical pumping with Yb-doped laser materials. Several architectures have been demonstrated to deliver and amplify intense, ultra-short femtosecond pulses at high repetition rates. The excellent spatial beam quality of the fiber laser pumping source used during this work allowed us to achieve several oscillators based on the Kerr lens mode-locking technique. Thanks to the use of broadband Yb-doped materials, we were able to deliver ultra-short pulses while maintaining high average power. In the solitonic regime, pulses as short as 48 fs (2.7 W) and32 fs (90 mW) were generated with Yb : CaF2 and Yb : CALGO. In the positive dispersion regime, we studied a Yb : CALGO oscillator capable of delivering 91 fs pulses after compression (4.5 W, 96 MHz).The second part of this work takes advantage of the high brightness of the pumping source to maintain high intensity along the laser material over centimeter lengths, significantly increasing the single-pass gain. Two systems have been studied with Yb : CaF2: a high-gain single-pass booster amplifier operating in the average power extraction regime without a stretcher (70 fs, 16.5 W), and a regenerative amplifier delivering energetic sub-150 fs pulses in the range of 3 kHz to 100 kHz, with energies up to one mJ.