Nouveaux matériaux d'amplification laser à 1053 nm

New Laser Amplifier Materials at 1053 nm

• Auteur / Autrice : Cesare Meroni
• Direction : Alain Braud, Patrice Camy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/09/2022
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la photonique (Caen ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Viana
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Braud, Patrice Camy, Bruno Viana, Wilfried Blanc, Sébastien Montant
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Viana, Wilfried Blanc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Amplificateurs

Cristaux

Lasers

Spectroscopie

Fluorure de calcium

Néodyme

Mots clés libres

CaF2

Neodymium

Spectroscopy

Crystals

Amplifier

Résumé

Dans ce travail, le co-dopage de CaF2:Nd3+ avec différents ions tampons optiquement inactifs est étudié comme un matériau prometteur pour les applications laser à haute énergie. L'objectif principal est d'identifier de nouveaux composés dopés au néodyme comme substituts potentiels aux verres de phosphate dopés au Nd actuellement utilisés dans le Laser Mégajoule (LMJ). Une étude détaillée de la spectroscopie optique décrit l'effet des différents ions tampons sur les propriétés spectroscopiques du néodyme. présentent clairement deux types différents de sites Nd, qui sont mis en évidence dans la spectroscopie d'absorption et d'émission ainsi que dans la dynamique de fluorescence. Un co-dopage ionique à plusieurs tampons, utilisant des tampons des deux groupes dans le même composé, permet l'ingénierie des bandes spectrales. Quatre compositions intéressantes présentant un profil large et plat autour de 1,05 µm ont été identifiées et représentent des cristaux laser prometteurs pour les applications LMJ. Les propriétés d'amplification des différents cristaux laser ont été étudiées à l'aide d'une configuration pompe-sonde dédiée avec deux sources laser accordables. Les résultats confirment les caractéristiques d'amplification à large bande des cristaux les plus prometteurs. Le fonctionnement du laser CW et l'accordabilité de ces matériaux montrent des résultats remarquables avec des efficacités de pente laser proches de la limite théorique et des seuils laser très bas. Le co-dopage à l'ytterbium de CaF_2:0.5%Nd est également étudié en utilisant des ions Yb à la fois comme ions actifs et ions tampon et montre des caractéristiques intéressantes pour les oscillateurs à large bande autour de 1µm. Enfin, une étude préliminaire sur l'adhérence moléculaire avec CaF2 est réalisée avec un pur CaF2 lié à un CaF2:Nd,Lu, exploitant le CaF2 pur comme dissipateur thermique pour une gestion thermique optimale.

In this work, the co-doping of CaF2:Nd3+ with different optically inactive buffer ions is investigated as a promising material for high energy laser applications. The main goal is to identify new neodymium doped compounds as potential substitutes for the Nd-doped phosphate glasses currently employed in the Laser Mégajoule (LMJ). A detailed optical spectroscopy investigation describes the effect of the different buffer ions on the neodymium spectroscopic properties.The buffer ions can be separated in two groups: buffer ions with a larger size than Nd lead to a single dominant Nd emitting site, while the smaller ions clearly exhibit two different types of Nd sites, that are evidenced in absorption and emission spectroscopy as well as and in the fluorescence dynamics. A multiple buffer ion co-doping, employing buffers from both groups in the same compound enable the engineering of the spectral bands. Four interesting compositions exhibiting a broad and flat profile around 1.05µm have been identified and represent promising laser crystals for the LMJ applications. The amplification properties of the different laser crystals have been investigated using a dedicated pump-probe setup with two tunable laser sources . The results confirm the broad band amplification features of the most promising crystals. The CW laser operation and tunability of these materials show remarkable results with laser slope efficiencies close to the theoretical limit and very low laser thresholds. The ytterbium co-doping of CaF_2:0.5%Nd is also investigated using Yb ions both as active ions and buffer ions and shows intresting features for broadband oscillators around 1µm.. Finally, a preliminary study on molecular adherence with CaF2 is realized with a pure CaF2 bonded with a CaF2:Nd,Lu, exploiting the pure CaF2 as a heat sink for optimal thermal management.