Theoretical and experimental study of the architecture of an ytterbium doped solid-state laser based on single-crystal or ceramic for the generation of high energy pulses at high repetition rate. - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2007

Theoretical and experimental study of the architecture of an ytterbium doped solid-state laser based on single-crystal or ceramic for the generation of high energy pulses at high repetition rate.

Etude théorique et expérimentale de l'architecture d'un laser à solide monocristallin ou céramique dopé ytterbium pour la génération d'impulsions de grande énergie à haute cadence.

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Abstract

This work concerns the study of ytterbium doped laser systems for the generation of high energy pulses with high average power, within the pint of a laser for the inertial fusion energy. Ytterbium ion have a lot of advantages for high average power applications - low quatum defect, high fluorescence lifetime, no energy transfert phenomena between electronics levels. Thus, ytterbium doped laser media are able to store highs amount of energy with a low thermal load. About the choice of the laser media, we have proposed a thermomecanical figure of merits which shows that garnets and rare earth sesquioxydes are very well suited ti high average power applications. As far as the laser amplifiers architecture is concerned, we have concluded that longitudinaly diode-pumped thin disk amplifiers cooled by the rear face are an excellent solution to achieve a good management of thermal effects. Thanks to a numeric modeling of ytterbium doped laser amplifiers, we have optimized several parameters of the laser architecture and compared differents ytterbium doped laser media. We have shown that ytterbium doped rare earth sesquioxides appears to be excellent laser media for high average power applications. Moreover, we have shown that low temperatures are a very seducing solution ti improve both thermomecanical properties of amplifiers and spectroscopic properties of ytterbium ion. Thank to a gain switched cryigenic laser cavity, we have experimentaly demonstrated that energetic performances of yttrebium doped rare earth sesquioxides are far better at low temperatures.
Ces travaux de thèse concernent l'étude de systèmes laser dopés à l'ion ytterbium pour la génération d'impulsions de forte énergie et de haute puissance moyenne, dans la perspective d'un laser permettant d'envisager la production d'énergie par fusion par confinement inertiel. En ce qui concerne le choix d'une matrice hôte, nous avons établi une figure de mérite thermomécanique et montré que les grenats et surtout les sesquioxydes de terres rares apparaissent comme les matrices les plus adaptées à la haute puissance moyenne. Quant à l'architecture des amplificateurs, nous sommes arrivés à la conclusion que des amplificateurs à disques minces pompés longitudinalement et refroidis par la face arrière constituent une excellente solution pour permettre une bonne gestion des effets thermiques. La réalisation d'un modèle numérique d'amplificateur laser dopé à l'ytterbium nous à permis d'optimiser divers paramètres de l'architecture du laser et de comparer différentes matrices dopées à l'ytterbium. Il est alors apparu que les sesquioxydes de de terres rares dopés à l'ion ytterbium constituent d'excellents matériaux amplificateurs pour la réalisation de laser de haute puissance moyenne. Il a par ailleurs été montré que les basses températures constituent une solution séduisante pour améliorer à la fois les propriétés thermomécaniques des amplificateurs laser et les propriétés spectroscopiques de l'ion ytterbium. A l'aide d'une cavité laser cryogénique, en mode relaxé, nous avons vérifié expérimentalement que les performances énergétiques des sesquioxydes d! e terres rares dopés à l'ytterbium se voient améliorées de manière très significative aux basses températures.
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Dates and versions

pastel-00002586 , version 1 (27-07-2010)

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Cite

Olivier Casagrande. Etude théorique et expérimentale de l'architecture d'un laser à solide monocristallin ou céramique dopé ytterbium pour la génération d'impulsions de grande énergie à haute cadence.. Physique [physics]. Ecole Polytechnique X, 2007. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00002586⟩
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