Amplified Spontaneous Emission and Thermal Management on a High Average-Power Diode-Pumped Solid-State Laser – The Lucia Laser System
Gestion de l'émission spontanée amplifiée et de la thermique d'un système laser solide de haute puissance moyenne pompée par diodes – le système laser Lucia
Résumé
The development of the laser triggered the birth of numerous fields in both scientific and industrial domains. High intensity laser pulses are a unique tool for light/matter interaction studies and applications. However, current flash-pumped glass-based systems are inherently limited in repetition-rate and efficiency. Development within recent years in the field of semiconductor lasers and gain media drew special attention to a new class of lasers, the so-called Diode Pumped Solid State Laser (DPSSL). DPSSLs are highly efficient lasers and are candidates of choice for compact, high average-power systems required for industrial applications but also as high-power pump sources for ultra-high intense lasers. The work described in this thesis takes place in the context of the 1 kilowatt average-power DPSSL program Lucia, currently under construction at the ‘Laboratoire d'Utilisation des Laser Intenses' (LULI) at the Ecole Polytechnique, France. Generation of sub-10 nanosecond long pulses with energies of up to 100 joules at repetition rates of 10 hertz are mainly limited by Amplified Spontaneous Emission (ASE) and thermal effects. These limitations are the central themes of this work. Their impact is discussed within the context of a first Lucia milestone, set around 10 joules. The developed laser system is shown in detail from the oscillator level to the end of the amplification line. A comprehensive discussion of the impact of ASE and thermal effects is completed by related experimental benchmarks. The validated models are used to predict the performances of the laser system, finally resulting in a first activation of the laser system at an energy level of 7 joules in a single-shot regime and 6.6 joules at repetition rates up to 2 hertz. Limitations and further scaling approaches are discussed, followed by an outlook for the further development.
Le développement du laser a ouvert la voix à l'exploration de nouveaux domaines scientifiques et industriels. Les impulsions laser à haute intensité sont un outil unique pour les études d'interaction lumière/matière et leurs applications. Mais elles sont générées par des systèmes laser reposant sur l'utilisation de milieux à gain en verre pompés par des lampes flashes et sont donc intrinsèquement limitées en termes de cadence et d'efficacité. Le développement, au cours de ces dernières années, des lasers semi-conducteurs a attiré l'attention sur une nouvelle classe de lasers, les « laser solides pompés par diodes » (DPSSL). Ils possèdent une grande efficacité et sont des candidats de choix pour les systèmes compacts à haute puissance moyenne requis pour des applications industrielles, mais aussi en tant que sources de pompe à haute puissance pour des lasers ultra-intenses. Les travaux décrits dans cette thèse s'inscrivent dans le cadre du système laser Lucia (1 kilowatt de puissance moyenne), actuellement en construction au «Laboratoire d'Utilisation des Intenses lasers» (LULI) à l'Ecole Polytechnique, France. La génération d'impulsions laser de durée sub-10 nanosecondes avec des énergies allant jusqu'à 100 joules et des taux de répétition de 10 hertz est principalement limitée par l'émission spontanée amplifiée (ASE) et les effets thermiques. L'étude de ces limitations est le thème central de ce travail. Leur impact est discuté dans le cadre d'un premier jalon énergétique fixé vers 10 joules. Le système laser mis au point est présenté en détails depuis l'oscillateur jusqu'à la fin de la chaine d'amplification. Une discussion complète de l'impact de l'ASE et des effets thermiques est complétée par des vérifications expérimentales. Les modèles de simulation informatique développés sont validés puis utilisés pour prédire les performances du système laser qui, lors d'une première activation, à atteint un niveau d'énergie de 7 joules en régime mono-coup et de 6,6 joules pour un taux de répétition de 2 hertz. Les limitations actuelles sont discutées ainsi que les approches envisagées pour des développements futurs.