Diode-pumped rare-earth doped solid-state lasers emitting in the infrared spectral range 1 um and 1.5 um

Matériaux laser dopés terres rares impulsionnels dans la gamme spectrale 1 um et 1.5 um: efforts sur la montée en puissance et en cadence

Anael Jaffres (1)

1 LCMCP (site ENSCP) - Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris (site ENSCP)

This work is devoted to the study of diode-pumped rare-earth doped solid-state lasers emitting in the infrared spectral range: at 1 μm for high-power laser and ultra-short pulses and at 1,5 μm in the eye-safe domain. The first part of this work describes the study of two kinds of defects occurring in Yb:CALGO crystals: diffusing centres and colour centres. The non-stoechiometric compositions and the growth parameters we investigated do not eliminate the diffusing centers, whereas a solid solution Ca2+-Sr2+ does but presents another type of defects (bubbles). The colour centres are attributed to polaronic holes, which is confirmed by fitting the related absorption band. The study of codoped materials Yb3+, X4+:CALGO tends to show a positive effect of the tetravalent codopant on the decoloration. The second part studies Er, Yb codoped materials for eye-safe laser applications. After crystal growth of the selected Er, Yb codoped hosts (Ca2Al2SiO7, SrGdGa3O7, Y2SiO5, CaGdAlO4), thermal, spectroscopic and laser properties are evaluated. In CW regime, Er, Yb, Ce: CAS generates output power of 200-300 mW at 1555 nm. In Q-Switch regime, pulses of 1,4 mJ energy and 40 ns-duration are obtained in Er, Yb, Ce:CAS for the first time. Hence this crystal appears as a possible alternative to the commercial phosphate glass.

De nouveaux matériaux lasers solides dopés terres rares et pompés par diode émettant soit à 1 µm (dopage Yb) pour les applications laser de puissance et femtosecondes, soit à 1,55 µm (codopage Er, Yb) pour la zone de sécurité oculaire ont été étudiés. Le premier volet étudie deux types de défauts récurrents (centres colorés et diffusants) dans la matrice CaGdAlO4:Yb. Les différentes stoechiométries et les paramètres de croissance testés ne permettent pas d'éliminer les centres diffusants. Par contre, une substitution Ca2+-Sr2+ les supprime mais induit d'autres défauts sous forme de bulles.Les centres colorés sont attribués à des polarons O-, hypothèse confirmée par la modélisation des bandes d'absorption. L'influence d'un codopage de la matrice par un ion tétravalent en substitution de l'ion Al3+ tend à montrer un effet bénéfique sur la diminution des centres colorés. Le second volet concerne la recherche de matrices cristallines dopées Er3+, Yb3+. Une étude en composition permet de sélectionner les taux de dopage optimaux dans les matrices Ca2Al2SiO7, SrGdGa3O7, Y2SiO5, CaGdAlO4. Des croissances de monocristaux sont effectuées par le procédé Czochralski leurs propriétés spectroscopiques, thermiques et laser sont évaluées. En régime continu, les cristaux de CAS génèrent des puissances laser d'environ 200-300 mW à 1555 nm tandis qu'en régime déclenché, des pulses d'énergie de 1,4 mJ et 40 ns sont obtenus pour la première fois. A performances équivalentes, le CAS présente une résistance au pompage incident bien supérieure à celle du verre phosphate commercial, ce qui en fait une alternative possible.

Mots clés: solid-state laser; high-power laser; ultra-short pulses; eye-safe domain

Mots clés: ytterbium; erbium; lasers solides; lasers de puissance; lasers ultra-courts; sécurité oculaire

Domaines: Chimie inorganique

Anael Jaffres. Matériaux laser dopés terres rares impulsionnels dans la gamme spectrale 1 um et 1.5 um: efforts sur la montée en puissance et en cadence. Chimie inorganique. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2013. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00973878⟩