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Theses Year : 2003

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Source laser picoseconde à haute cadence dans l'ultraviolet

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Abstract

Laser source are now extensively used by the biologists in their studies. In particular, the time resolved fluorescence lifetime imaging is a powerful way to obtain quantitative information on active molecules. To use efficiently this technique, a pulsed laser source operating in the visible or ultraviolet part of the spectrum is needed : the pulse duration should stand in the picosecond range whereas the repetition rate has to be around some MHz if we want to study long lifetimes (some tens of nanoseconds). The classical pulsed lasers work in the Q-switched or in the modelocked regime : in both case, it is not straightforward to obtain short pulses at this "medium" repetition rate in a simple and compact structure : one has to built very short cavities to shorten the pulse duration of the Q-switched laser or very long cavities to decrease the repetition rate of the modelocked laser. In this work we demonstrate a 200-µm long Q-switched laser as well as a 150 m long modelocked one, each of them producing picosecond pulses at some MHz of repetition rate in the infrared (1064 nm). The saturable absorber was a semiconductor (SESAM) and the laser crystal is Nd:YVO4. We then develop a tridimentionnal multipass amplifier to increase the energy of the pulses. The original geometry of this amplifier allows optimized overlap between the pump and signal beam and leads to very efficient amplification (this structure was patented with JDS Uniphase). Finally, several non-linear stages are used to reach the UV (harmonic generation) and to obtain some tunability via optical parametric generation in a periodically poled lithium niobate crystal.
Les sources laser font désormais partie intégrante des outils permettant d'étudier finement la matière ou le vivant. En particulier, la spectroscopie de fluorescence résolue en temps est une technique d'importance pour les biologistes. Elle nécessite de disposer de sources laser impulsionnelles (typiquement picoseconde) fonctionnant dans le visible ou l'ultraviolet. De plus, un taux de répétition de quelques MHz est nécessaire si l'on cherche à étudier des temps de vie " longs " (plusieurs dizaines de nanosecondes). Pour atteindre ce régime " picoseconde-MHz " tout en conservant simplicité et compacité à la source, il faut bâtir des cavités laser de dimension inhabituelles. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons donc mis au point deux types de laser : un laser déclenché ou " Q-switched " à cavité ultra courte (200 µm) et un laser à verrouillage de mode ou " modelock " à cavité ultra longue (150 m). Le fonctionnement impulsionnel est obtenu dans les deux cas via un absorbant saturable à semiconducteur (" SESAM "). Les cristaux laser utilisés (Nd :YVO4) permettent une émission dans l'infrarouge proche à 1064 nm :si la durée des impulsions produites ainsi que leur cadence satisfont au cahier des charges, leur longueur d'onde doit être convertie vers el visible et l'UV. Pour ce faire, nous avons développé une structure amplificatrice originale basée sur l'utilisation tridimensionnelle de la zone de gain dans un amplificateur solide multipassage. Grâce à cet amplificateur original (qui a donné lieu au dépôt d'un brevet avec JDS Uniphase), l'énergie de nos lasers est suffisante pour pouvoir utiliser un certain nombre d'effets non-linéaires. Nous avons mis au point des étages de doublement, triplement et quadruplement de fréquence pour atteindre l'UV ainsi qu'un étage de génération paramétrique optique dans un cristal de niobate de lithium périodiquement polarisé (ppLN) pour avoir accès à une large accordabilité dans la gamme visible du spectre.
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Dates and versions

tel-00004272 , version 1 (21-01-2004)

Identifiers

  • HAL Id : tel-00004272 , version 1

Cite

Sébastien Forget. Source laser picoseconde à haute cadence dans l'ultraviolet. Physique Atomique [physics.atom-ph]. Université Paris Sud - Paris XI, 2003. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00004272⟩
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