new ytterbium-doped laser materials : diode-pumped operation and investigation of thermal effects
Nouveaux matériaux laser dopés à l'ytterbium : performances en pompage par diode et étude des effets thermiques.
Résumé
This thesis is a study of new ytterbium-doped crystals, made for the development of efficient (and sometimes broadly tunable) lasers emitting around 1 µm. The first part presents the laser performance, under high power diode pumping, of new crystals: Yb:GGG, Yb:GdCOB, Yb:BOYS (and Yb:CaBOYS), Yb:SYS and Yb:YSO. The efficiency, tunability and thermal behaviour of these materials is discussed, and illustrated (when pertinent) by a comparison between materials of similar properties. Thermal effects limit the scaling toward higher powers in most of these materials: a comprehensive study of these effects is performed in the second part of this thesis. We begin this part by setting the theoretical background necessary to understand thermal and thermomechanical effects in solid state lasers. After a description of the classical techniques employed to investigate thermal effects, we describe the experimental setup we used. It is based on a commercially available Shack-Hartmann wavefront sensor, and enables the measurement of the thermal lens (including its aberrations) in end-pumped laser, under lasing and nonlasing conditions. We emphasize on the characteristics and limitations of this technique. Thermal lensing measurements are then reported, for the first time, in ytterbium-doped materials. Significant nonradiative effects have been demonstrated, whereas it is generally admitted that such effects are purely absent. We then explain how, thanks to a simple analytical model, it is possible to derive the quantum efficiency and the thermo-optical coefficient from these measurements. We also demonstrated the influence of the lasing wavelength on the thermal load, the reduction of thermal effects by the use of composite crystals, as well as the major role played by the photoelastic effect in the thermally-induced lens in Yb:GdCOB.
Ce travail a comme but l'étude de nouveaux cristaux dopés à l'ion ytterbium, pour le développement de lasers efficaces (et éventuellement accordables) émettant vers 1 µm. La première partie traite des performances laser en pompage par diode de forte puissance (10-15 W) de nouveaux cristaux : l'Yb:GGG, l'Yb:GdCOB, l'Yb:BOYS (et l'Yb:CaBOYS), l'Yb:SYS et l'Yb:YSO. L'efficacité, l'accordabilité, et le comportement thermique de ces matériaux est discutée, et illustrée, lorsque cela est pertinent, par une comparaison entre matériaux voisins. Les effets thermiques limitent la montée en puissance dans la plupart de ces nouveaux matériaux : leur étude détaillée fait l'objet de la seconde partie. Nous commençons par une synthèse théorique sur les effets thermiques et thermomécaniques dans les lasers solides. Après une description des différentes méthodes expérimentales d'investigation des effets thermiques, nous décrivons le banc de mesure que nous avons mis en place. Il est basé sur un analyseur de front d'onde de Shack-Hartmann, et il permet la mesure des lentilles thermiques (et de leurs aberrations) dans des configurations de pompage longitudinal, en présence (ou non) d'effet laser. Nous décrivons les caractéristiques et les limitations de cet outil en détail. Des mesures de lentilles thermiques sont ensuite rapportées, pour la première fois, dans des matériaux dopés à l'ytterbium. Nous avons mis en évidence d'importants effets non radiatifs qui contribuent à la charge thermique, contrairement à ce qui est généralement admis. Nous détaillons alors comment, avec un modèle analytique simple, on peut déduire de ces mesures le rendement quantique et le coefficient thermo-optique des matériaux considérés. Nous avons également mis en évidence expérimentalement l'influence de la longueur d'onde laser sur la charge thermique, la réduction des effets thermiques dans des cristaux composites, ou encore la contribution significative de l'effet photoélastique à la lentille thermique dans l'Yb:GdCOB.