Lasers solides émettant à 2,3 µm à base de cristaux dopés au thulium : Comprendre la spectroscopie pour améliorer l'efficacité

2.3 µm thulium doped solid state lasers : understanding spectroscopy to increase the laser efficiency

• Auteur / Autrice : Hippolyte Dupont
• Direction : Frédéric Druon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/11/2024
• 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 : Myriam Raybaut
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Forget, Bernard Dussardier, Christelle Kieleck, Fabien Bretenaker
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Forget, Bernard Dussardier
• DOI : 10.70675/aa81e3c9z5a4fz4a21z9be2zce7b3f1dd95d

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers à solide

Thulium

Rayonnement infrarouge

Spectroscopie

Cristaux

Mots clés libres

Thulium

Laser

Moyen infrarouge

Spectroscopie

Cristaux

Mid infrared

Thulium

Laser

Spectroscopy

Résumé

Cette thèse porte sur l'étude de la transition 3H4 vers 3H5 du thulium pour une émission autour de 2,3 µm dans les lasers solides, avec des applications potentielles pour la détection de molécules. Les précédentes efficacités et puissances reportées dans la littérature étant relativement faibles, diverses méthodes de pompage ont été explorées pour améliorer les rendements de ces sources en se basant une étude approfondie de la spectroscopie du thulium, tant d'un point de vue théorique qu'expérimental. Nous avons dans un premier temps tenté d'optimiser le pompage classique à 0,8 µm depuis l'état fondamental. De même, l'intérêt d'utiliser des lasers en cascade à 2,3 µm et à 1,9 µm a été sondé. Dans certaines conditions, il a ainsi été possible de doubler l'efficacité de l'émission laser à 2,3 µm. De nouvelles matrices cristallines utiles pour les lasers femtoseconde telles que le CALGO ont aussi été testées.Dans un second temps, nous avons cherché à optimiser un nouveau pompage à avalanche à 1 µm récemment démontré pour l'émission laser à 2,3 µm. Malgré un schéma de pompage à première vue très peu efficace, un gain d'un ordre de grandeur en terme d'efficacité et de puissance émise a pu être démontré à l'aide d'un pompage intracavité utilisant un laser à néodyme émettant à 1 µm. Tant les puissances émises que les efficacités dépassent aujourd'hui ce qui a été démontré avec um pompage direct à 0,8 µm pour les cristaux que nous avons utilisée. Pour accompagner cette montée en puissance, une étude des effets thermiques liée à cette émission à 2,3 µm a été réalisée. Des lasers déclenchés “Q-switch” à 2,3 µm ont également été étudiés. Un régime chaotique potentiellement systémique a été observé et étudié. Divers processus de stabilisation ont été proposés.

This thesis focuses on the study of the 3H4 to 3H5 transition of thulium for emission around 2.3 µm in solid-state lasers, with potential applications for molecules detection. As the previous efficiencies and powers reported in the literature are relatively low, various pumping methods have been explored to improve the slope efficiency of these sources, based on an in-depth study of thulium spectroscopy, both from a theoretical and experimental point of view. We began by optimizing conventional pumping at 0.8 µm from the ground state. The benefits of using cascade lasers at 2.3 µm and 1.9 µm were investigated. Under certain conditions, it was possible to double the efficiency of laser emission at 2.3 µm. New crystal host useful for femtosecond lasers, such as CALGO, have also been tested.Secondly, we sought to optimise a new 1 µm upconversion pumping recently demonstrated for laser emission at 2.3 µm. Despite this pumping scheme that at first sight appears to be very inefficient, an order of magnitude gain in terms of efficiency and output power has been demonstrated, putting thulium doped crystal inside a 1-µm neodymium-crystal-based cavity. Both the power emitted and the efficiency now exceed what was ever been demonstrated with a 0.8 µm pumping for the crystals we used. To accompany this power scalling, a study of the thermal effects associated with this emission at 2.3 µm has been carried out. Q-switched lasers at 2.3 µm were also used. Potentially systemic chaos was observed and studied. Various stabilisation processes were proposed.