Amplificateurs laser femtosecondes pompés par LED à base de Cr : LiSAF

LED-pumped femtosecond Cr : LiSAF laser amplifiers

• Auteur / Autrice : Hussein Taleb
• Direction : François Balembois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 31/03/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne ; 1998-....) - Laboratoire Charles Fabry / Lasers
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Kazamias
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aurélie Jullien, Olivier Musset, Franck Falcoz, Juna Sathian
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Aurélie Jullien, Olivier Musset

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers à solide

Pompage optique

Diodes électroluminescentes

Lasers femtoseconde

Mots clés libres

Laser femtoseconde

Pompage par LED

Cr:LiSAF

Concentrateur luminescent

Amplificateur régénératif

Amplificateur multi-Passages

Femtosecond laser

LED-Pumping

Cr:LiSAF

Luminescent concentrator

Regenerative amplifier

Multipass amplifier

Résumé

Durant les 20 dernières années, les diodes électroluminescentes (LED) ont connu une amélioration spectaculaire de leurs performances et une réduction drastique de leur coût, ce qui les a rendues l'une des sources d'éclairage les plus efficaces et les plus abordables. Combinées à des concentrateurs luminescents, les LED permettent d'atteindre des éclairements allant jusqu'à 10 kW/cm² dans la gamme de longueurs d'onde située entre 530 nm et 650 nm. Cela offre une opportunité pour le pompage des matériaux laser à large bande d'émission dopés aux métaux de transition tels que le Ti:saphir, l'alexandrite et le Cr:LiSAF. Ces cristaux sont les plus appropriés pour le développement de sources laser ultra-courtes avec une durée d'impulsion inférieure à 100 fs. Comparées aux autres sources de pompage, les LED combinent un ensemble unique de propriétés : elles sont aussi robustes et abordables financièrement que les lampes flash, avec la stabilité, la longue durée de vie et la fiabilité des semiconducteurs.L'objectif de ce travail est de démontrer les premiers amplificateurs laser femtosecondes pompés par LED. La première partie de ce manuscrit décrit l'état de l'art des lasers femtosecondes ainsi qu'un aperçu du projet de pompage par LED au Laboratoire Charles Fabry. Le cristal de Cr:LiSAF, qui a été choisi pour cette démonstration, est également présenté. La seconde partie de ce manuscrit regroupe les travaux expérimentaux qui ont été réalisés. Une première expérience démontre le premier amplificateur régénératif femtoseconde Cr:LiSAF pompé par LED, implémenté dans une chaîne femtoseconde en utilisant la technique d'amplification à dérive de fréquence (CPA) et fonctionnant à une cadence de 10 Hz. Une seconde expérience démontre le premier amplificateur multi-passages Cr:LiSAF pompé par LED fonctionnant à une cadence de 100 Hz, en utilisant une configuration « slab » originale.Ces travaux ouvrent la voie à une nouvelle génération de sources laser ultra-courtes présentant des propriétés uniques de robustesse, de faible coût et de simplicité.

During the last two decades, light-emitting diodes (LEDs) have seen a dramatic improvement of their performance and a drastic cost reduction, making them one of the most efficient and affordable lighting sources. Combined with luminescent concentrators, they allow reaching irradiances up to 10 kW/cm² in the “yellow gap” between 530 nm and 650 nm. This provides an opportunity for pumping transition metal-doped broadband laser materials such as Ti:sapphire, alexandrite, and Cr:LiSAF. These crystals are the most appropriate for the development of ultra-short laser sources with pulse duration below 100 fs. Compared to other pump sources, LEDs combine a unique set of properties: they are as rugged and affordable as flashlamps, with the stability, long lifetime, and reliability of semiconductors.The purpose of this work is to demonstrate the first LED-pumped femtosecond laser amplifiers. The first part of this manuscript describes the state of the art of femtosecond lasers as well as an overview of the LED-pumping project at Laboratoire Charles Fabry. The Cr:LiSAF crystal, which was chosen for this demonstration, is also presented. The second part of this manuscript presents the experimental work that has been done. A first experiment demonstrates the first LED-pumped femtosecond Cr:LiSAF regenerative amplifier, implemented in a femtosecond chain using the chirped pulse amplification technique (CPA) and operating at a 10 Hz repetition rate. A second experiment demonstrates the first LED-pumped Cr:LiSAF multipass amplifier operating at a 100 Hz repetition rate, using an original slab configuration.This work paves the way for a new generation of ultra-short laser sources with unique properties of robustness, low cost, and simplicity.