Development of high brightness solid-state laser sources around 980 nm
Développement de sources laser solides de forte luminance autour de 980 nm
Résumé
The background of this thesis is the study of new laser sources with high brigthness for the pumping of erbium doped fiber amplifiers (EDFA), particularly in the telecommunications area. At present EDFA are pumped at 980 nm by spatially monomode laser diodes delivering an continous-wave (cw) output power of about 300 mW on an 1 mM by 3 mM emitting area. More powerful laser diodes present a larger emitting area, typically 1 mM by 100 to 200 mM. The consequence is a degradation of the spatial beam quality in the plane parallel to the diode function. In this direction the beam is 10 to 20 times diffraction limited, which is a problem for applications that need a high power density on a small area (for example, the pumping of EDFA or the pumping of solid-state lasers). The challenge is to have a spatially monomode laser source with a cw output power of about 1 W at 980 nm. In this thesis we studied two solutions. The first one is to improve the spatial beam quality of laser diodes by an angular filtering of the beam. For that, we used an external cavity and the angular filtering was realized by a Bragg grating that we designed. The second solution is to use the highly multimode beam from a power laser diode to pump a laser crystal. Ytterbium doped crystals are interesting, since they may present an laser transition around 980 nm. The problem is that this transition is a real 3 level one. We demonstrated that with a good choice of the crystal host and of the pumping conditions, it is possible to realize an efficient cw laser emitting around 980 nm.
Le cadre général de cette thèse est l'étude de nouvelles sources laser de forte luminance pour le pompage des amplificateurs, à fibre dopée erbium (EDFA), en particulier dans le domaine des télécommunications. Actuellement, les EDFA sont pompés par des diodes laser monomodes spatiales émettant à 980 nm une puissance maximale continue d'environ 300 mW sur une surface émettrice de 1 mM par 3 mM. Les diodes laser de plus forte puissance ont une surface émettrice plus large, typiquement 1 mM sur 100 à 200 mM. Il en résulte une dégradation de la qualité spatiale du faisceau dans le plan parallèle à la fonction de la diode. Dans cette direction, le faisceau est 10 à 20 fois limité par la diffraction, ce qui est un problème pour les applications qui nécessitent une forte densité de puissance sur une petite surface (comme par exemple le pompage des EDFA ou le pompage longitudinal des lasers solides). L'enjeu est de disposer d'une source laser monomode spatiale délivrant une puissance continue de l'ordre du watt à 980 nm. Lors de cette thèse, nous avons étudié deux voies. La première solution consiste à améliorer la qualité spatiale d'un faisceau de diode laser en effectuant un filtrage angulaire du faisceau. La technique utilisée est la mise en cavité externe d'une diode laser de puissance. Le filtrage angulaire est réalisé par un réseau de Bragg que nous avons conçu. La seconde solution pour obtenir une émission vers 980 nm dans un faisceau monomode spatial est d'utiliser le faisceau fortement multimode d'une diode laser de puissance pour pomper un cristal massif. Les cristaux dopés avec des ions ytterbium sont intéressants car ils peuvent présenter une raie d'émission vers 980 nm. Le problème est qu'il s'agit alors d'une vraie transition laser à 3 niveaux. Nous avons montré que par un bon choix de la matrice d'accueil et des conditions de pompage, il est possible de réaliser un laser efficace émettant vers 980 nm en pompage continu.