Spectroscopie et caractérisation laser de cristaux massifs et de couches minces cristallines de fluorures dopés terres rares autour de 2um

Résumé : Depuis les années 1970, le développement des sources lasers de puissance fonctionnant autour de 2 µm basées sur des cristaux dopés Thulium Tm3+ et/ou Holmium Ho3+est un domaine de recherche actif du fait de ses multiples applications. L’émission autour de 1.9 µm correspond à une transition du niveau excité 3F4 vers le niveau fondamental 3H6 dans un ion trivalent Tm3+, alors que l’émission à 2 µm et au-delà correspond à la transition entre le niveau 5I7 et le niveau fondamental 5I8 de l’ion Ho3+. Ces transitions laser font aujourd’hui l’objet de nombreuses applications dans domaines très variés. nous avons étudié les propriétés spectroscopiques de cristaux de fluorures dopés terres rares en vue d’une émission autour de 2 µm. À partir des spectres d’absorption obtenus, l’analyse de Judd-Ofelt a permis de calculer les durées de vie radiatives ainsi que les rapports de branchement dans les ions Tm3+ et Ho3+. En comparaison avec d’autres cristaux tels que les oxydes, les durées de vie des niveau 3F4(Tm3+) et 5I7(Ho3+) dans les cristaux de fluorures sont plus longues ce qui favorise un fonctionnement laser en régime impulsionnel. Une étude sur la dynamique de fluorescence a été réalisée afin de caractériser l’émission autour de 1.9µm de l’ion Tm3+ et celle autour de 2µm de l’ion Ho3+. Les spectres d’émission obtenus offrent de larges bandes, assez structurées dans la matrice LiYF4 et plus larges et moins structurées dans la matrice CaF2. Dans un second temps, en mesurant les durées de vie du niveau émetteur 3F4 pour différentes concentrations en ions Tm3+, nous avons calculé les paramètres de transferts. Les résultats obtenus ont montré que le processus de relaxation croisée est beaucoup plus efficace dans le cristal CaF2 que dans le LiYF4. Nous avons calculé également les coefficients de transfert et de transfert inverse entre les ions Tm3+ et Ho3+ suite à une excitation de l’ion Tm3+. Nous avons montré que la matrice LiYF4 offre une meilleure efficacité de transfert en vue d’une émission autour de 2µm. Le fonctionnement laser de couches minces en configuration « disque mince » a été étudié. Une première démonstration d’un laser en disque mince LiYF4 : Tm émettant à 1.9 µm réalisé à partir d’une couche épitaxiée par LPE a été faite. En simple passge, une puissance de sortie de 306 mW et une efficacité laser de 36% en puissance absorbée sont atteintes pour une couche de 240 μm d'épaisseur.nous avons étudié un oscillateur laser en guide d’onde LiYF4 :Tm en géométrie planaire et linéaire. Ces guides sont caractérisés par de faibles pertes de propagation grâce à la qualité du procédé de fabrication. Une puissance maximale de 470 mW et un rendement de 14% en puissance incidente ont été obtenus. Une modélisation numérique de l’amplification optique montre que le guidage des faisceaux pompe et sonde permet d’atteindre des gains importants. Le modèle est ensuite adapté pour le régime de saturation afin de calculer le rendement d’extraction et de déterminer le potentiel des guides LiYF4 :Tm3+ en tant comme amplificateur autour de 1.9 µm
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Physique [physics]. Normandie Université, 2017. Français. 〈NNT : 2017NORMC270〉
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Mohamed Salhi. Spectroscopie et caractérisation laser de cristaux massifs et de couches minces cristallines de fluorures dopés terres rares autour de 2um. Physique [physics]. Normandie Université, 2017. Français. 〈NNT : 2017NORMC270〉. 〈tel-01743723〉

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