A crystal chemistry approach for high-power ytterbium doped solid-state lasers. Diffusion-bonded crystals and new crystalline hosts.
Relations structures - propriétés dans les lasers solides de puissance à l'ytterbium. Elaboration et caractérisation de nouveaux matériaux et de cristaux composites soudés par diffusion.
Résumé
This work deals with ytterbium based crystals for high-power laser applications. In particular, we focus our interest in reducing crystal heating and its consequences during laser operation following two different ways. First, we review the specific properties of ytterbium doped solid-state lasers in order to define a figure-of-merit which gives the evaluation of laser performances, thermo-mechanical and thermo-optical properties. Bearing in mind this analysis, we propose a set of theoretical tools, based on the crystallographic structure of the crystal and its chemical composition, to predict thermo-mechanical and optical potentials. This approach, used for the seek of new Yb3+-doped materials for high-power laser applications, shows that simple oxides containing rare-earths are favorable. Therefore, the spectroscopic properties of six new materials Yb3+:GdVO4, Yb3+:GdAlO3, Yb3+:Gd2O3, Yb3+:Sc2SiO5, Yb3+:CaSc2O4 and Yb3+:SrSc2O4 are described. The second aspect developed in this work deals with thermal properties enhancement of already well characterized laser materials. Two different ways are explored: a) elaboration by diffusion bonding of end-caps lasers with undoped crystals (composite crystals). Thus, different composites were obtained and a fairly lowering of thermal lensing effect was observed during laser operation. b) strengthening of crystalline structures by ionic substitution of one of its constituents. We demonstrate how crystal growth ability can be improved by a cationic substitution in the case of Yb3+:BOYS, a largely-tunable laser material which is of great interest for femtosecond pulses generation.
Ce travail concerne l'étude des matériaux cristallins dopés à l'ytterbium pour la génération de faisceaux laser de puissance. Deux approches destinées à limiter l'échauffement des cristaux sous flux intense sont décrites dans ce mémoire. En premier lieu, nous procédons à une revue des spécificités des matériaux laser à l'ytterbium et définissons un facteur de mérite permettant l'évaluation simultanée de leurs propriétés laser, thermomécaniques et thermo-optiques. S'appuyant sur cette analyse pour optimiser la recherche de nouveaux matériaux laser à l'ytterbium adaptés aux applications de puissance, nous proposons différentes relations structure-propriétés permettant de prévoir les potentialités thermomécaniques d'une matrice hôte à partir de sa structure cristallographique et de sa composition chimique. Considérant l'influence du dopage en ytterbium sur la conductivité thermique des matériaux, nous montrons, par exemple, que les oxydes simples à base de te rres rares sont favorables pour de telles applications. A ce titre, les propriétés spectroscopiques de six nouveaux matériaux GdVO4 :Yb3+, GdAlO3:Yb3+, Gd2O3:Yb3+, Sc2SiO5:Yb3+, CaSc2O4:Yb3+ et SrSc2O4:Yb3+ sont étudiées. La deuxième démarche proposée, concerne l'amélioration des propriétés thermiques et mécaniques de cristaux laser existants. Dans cette approche, on envisage deux solutions: le soudage par diffusion de cristaux non dopés aux extrémités du cristal laser (cristaux composites) et le renforcement d'une structure cristalline par substitution ionique d'un de ses constituants. Ainsi, différents assemblages de cristaux ont été obtenus et ont permis d'observer une réduction significative de l'effet de lentille thermique dans les cristaux laser en fonctionnement. D'autre part, nous avons amélioré, par le biais d'une substitution cationique, les conditions de croissance cristalline du BOYS :Yb3+, un matériau laser accordable de grand intérêt dans la production d'impulsions femtosecondes.
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