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Theses Year : 2007

Thermal study of laser crystals, design of single-crystal-fiber lasers

Etude thermique des cristaux lasers, Réalisation de lasers à fibres monocristallines

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Abstract

Solid-state laser systems are represented in more and more applications of laser light. The evolution of laser diode technology makes possible a significant increase of the output power of those systems. Nevertheless, this increase is mitigated by the poor toughness of the gain media of the lasers. For example, the usual bulk laser crystals are limited by powerful thermal effects. New laser architectures have been designed to bypass those issues, but still nowadays there is no system combining simplicity, high average power and high peak power. The work presented here is divided in two parts. The first goal is to study thermal effects in laser crystals, the second goal is to design a new laser media able to exceed the current power limitations. We designed a thermal characterization bench to measure both the thermal conductivity and the thermo-optical coefficient of laser materials, under pumping and laser conditions. Those measurements don't require any tabulated value coming from the literature. We present some practical applications of this characterization bench. In collaboration with the company Fibercryst, we evolved a new laser concept, the single-crystal-fiber laser. Those fibers combined the geometry of fiber lasers with the structural advantages of crystalline materials. We present the characterization of the single-crystal fibers grown by the micro-pulling-down technique, and their laser results. We show that those laser media are promising to realize laser systems combining high average power and high peak power.
Les systèmes lasers solides s'imposent de plus en plus dans de nombreuses applications de la lumière laser. L'évolution rapide des diodes laser de pompe vers des systèmes de plus en plus puissants et compacts permet d'espérer une montée en puissance de ces systèmes. Néanmoins, cette montée en puissance est limitée par la résistance des milieux amplificateurs aux fortes puissances de pompe. Les cristaux massifs habituellement utilisés dans ces systèmes sont en particuliers limités par d'importants effets thermiques. De nouvelles architectures ont été développées pour tenter de résoudre cette difficulté, mais aucune ne permet aujourd'hui de combiner simplicité, forte puissance moyenne, et forte puissance crête. Les travaux que nous présentons sont répartis sur deux axes de recherche. Notre premier objectif est de mieux comprendre les effets thermiques dans les cristaux laser. Notre deuxième objectif est de mettre au point un nouveau milieu laser ayant le potentiel de dépasser les limites actuelles. Nous avons mis en place d'un banc de caractérisation thermique complet, permettant de caractériser de mesurer la conductivité thermique et le coefficient thermo-optique des matériaux laser, en condition d'utilisation, sans nécessiter de données extérieures issues de la bibliographie. Nous présentons quelques exemples d'utilisations pratiques de ce banc. En collaboration avec l'entreprise Lyonnaise Fibercryst, nous avons également développé un nouvel concept laser, le laser à fibre monocristalline, alliant les avantages de la géométrie des lasers à fibre en silice et les qualités intrinsèques des cristaux massifs. Nous présentons la caractérisation des fibres obtenues par croissance micro-pulling down, ainsi que leurs résultats laser. Nous montrons que ces milieux sont très prometteurs pour la réalisation de laser alliant forte puissance moyenne et forte puissance crête.
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Dates and versions

tel-00417564 , version 1 (16-09-2009)

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  • HAL Id : tel-00417564 , version 1

Cite

Julien Didierjean. Etude thermique des cristaux lasers, Réalisation de lasers à fibres monocristallines. Physique Atomique [physics.atom-ph]. Université Paris Sud - Paris XI, 2007. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00417564⟩
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