Diode-pumped solid-state lasers emitting around 1000 nm and 500 nm and based on ytterbium-doped crystals and semiconductors.
Sources laser solides pompées par diode, émettant autour de 1000 et 500 nm à base de cristaux dopés ytterbium et de semiconducteurs.
Résumé
The background of this thesis is the study of new diode-pumped solid-state laser sources emitting a continuous wave single-frequency radiation in the near infrared (1000 nm) and in the blue-green by second harmonic generation, particularly at 501.7 nm. These laser sources aim metrological applications such as ultra-high resolution spectroscopy of molecular iodine (127I2) and the practical application of the meter, fields in which argon lasers are currently used.
The first chapter of this work presents the context of this study, through a state of the art of the solid-state laser sources around 500 nm, the adopted and explored solutions, as well as some theoretical elements concerning second harmonic generation. The common principle of these two ways is to produce a single-frequency laser emission at 1000 nm, which is then frequency doubled.
The second chapter deals with the solution using ytterbium-doped crystals emitting at 1000 nm, whose emission is intracavity frequency-doubled in a KNbO3 nonlinear crystal. Two laser crystals are used: Yb:YSO and Yb:KYW. In both cases and in single-frequency operation, at 501.7 nm after the frequency doubling process, we demonstrate output powers ranging between 35 and 60 mW for a pump power of 4W at 980 nm.
The third chapter relates to the second studied way using a VCSEL type semiconductor amplifying medium with quantum wells. The active structure, composed of a Bragg mirror and quantum wells, is assembled in an extended cavity and optically pumped. The laser emission around 1000 nm is frequency doubled to produce 60 mW in single-frequency operation at 500 nm, from a pump power of 6.5 W at 808 nm.
The first chapter of this work presents the context of this study, through a state of the art of the solid-state laser sources around 500 nm, the adopted and explored solutions, as well as some theoretical elements concerning second harmonic generation. The common principle of these two ways is to produce a single-frequency laser emission at 1000 nm, which is then frequency doubled.
The second chapter deals with the solution using ytterbium-doped crystals emitting at 1000 nm, whose emission is intracavity frequency-doubled in a KNbO3 nonlinear crystal. Two laser crystals are used: Yb:YSO and Yb:KYW. In both cases and in single-frequency operation, at 501.7 nm after the frequency doubling process, we demonstrate output powers ranging between 35 and 60 mW for a pump power of 4W at 980 nm.
The third chapter relates to the second studied way using a VCSEL type semiconductor amplifying medium with quantum wells. The active structure, composed of a Bragg mirror and quantum wells, is assembled in an extended cavity and optically pumped. The laser emission around 1000 nm is frequency doubled to produce 60 mW in single-frequency operation at 500 nm, from a pump power of 6.5 W at 808 nm.
Le cadre général de cette thèse est l'étude de nouvelles sources laser solides, pompées par diode, émettant un rayonnement continu monomode longitudinal dans le proche infrarouge (1000 nm) et dans le bleu-vert par doublement de fréquence, particulièrement à 501,7 nm. Ces sources laser visent des applications métrologiques telles que la spectroscopie de l'iode (127I2) à ultra-haute résolution et la mise en pratique du mètre, domaines dans lesquels les lasers à argon sont actuellement utilisés.
Le premier chapitre de ce travail présente le contexte de cette étude, à travers un état de l'art des sources laser autour de 500 nm, les solutions retenues et explorées, ainsi que des éléments théoriques pour la génération de seconde harmonique. Le principe commun des deux voies est de produire une émission laser monomode spectrale à 1000 nm qui est ensuite doublée en fréquence.
Le deuxième chapitre traite de la solution utilisant des cristaux dopés ytterbium émettant à 1000 nm, dont l'émission est doublée en fréquence intracavité dans un cristal non linéaire de KNbO3. Deux cristaux laser sont utilisés : le Yb:YSO et le Yb:KYW. Dans les deux cas, à 501,7 nm, nous démontrons des puissances en régime monofréquence comprises entre 35 et 60 mW pour une puissance de pompe de 4W à 980 nm.
Le troisième chapitre concerne la seconde voie étudiée utilisant un milieu amplificateur semiconducteur à puits quantiques de type VCSEL. La structure active, formée d'un miroir de Bragg et de puits quantiques, est montée en cavité étendue et pompée optiquement. L'émission autour de 1000 nm est doublée en fréquence pour produire 60 mW en régime monomode spectral à 500 nm, à partir d'une puissance de pompe de 6,5 W à 808 nm.
Le premier chapitre de ce travail présente le contexte de cette étude, à travers un état de l'art des sources laser autour de 500 nm, les solutions retenues et explorées, ainsi que des éléments théoriques pour la génération de seconde harmonique. Le principe commun des deux voies est de produire une émission laser monomode spectrale à 1000 nm qui est ensuite doublée en fréquence.
Le deuxième chapitre traite de la solution utilisant des cristaux dopés ytterbium émettant à 1000 nm, dont l'émission est doublée en fréquence intracavité dans un cristal non linéaire de KNbO3. Deux cristaux laser sont utilisés : le Yb:YSO et le Yb:KYW. Dans les deux cas, à 501,7 nm, nous démontrons des puissances en régime monofréquence comprises entre 35 et 60 mW pour une puissance de pompe de 4W à 980 nm.
Le troisième chapitre concerne la seconde voie étudiée utilisant un milieu amplificateur semiconducteur à puits quantiques de type VCSEL. La structure active, formée d'un miroir de Bragg et de puits quantiques, est montée en cavité étendue et pompée optiquement. L'émission autour de 1000 nm est doublée en fréquence pour produire 60 mW en régime monomode spectral à 500 nm, à partir d'une puissance de pompe de 6,5 W à 808 nm.
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