Les cristaux dopés aux ions ytterbium possèdent une large bande spectrale d’absorption s’étendant (généralement) entre 900 et 960 nm. Cette bande correspond exactement aux transitions à quasi-trois niveaux des cristaux dopés aux ions néodyme. Le schéma structurel du pompage en intracavité que nous proposons est donc le suivant (fig. 2.4).
FIGURE2.4 – Schéma structurel du pompage en intracavité de cristaux dopés aux ions ytterbium
Un premier cristal dopé aux ions néodyme est pompé par diode autour de 800 nm et ré-émet dans la bande 900-960 nm sur une transition à quasi-trois niveaux ; nous appellerons par la suite ce premier laser, le laser primaire. Dans cette cavité nous insérons un cristal dopé aux ions ytterbium, absorbant à la longueur d’onde d’oscillation et ré-émettant autour de 980 nm. Afin de simplifier le montage expérimental présenté par Herault [Herault 08], nous utilisons une unique cavité résonnante aux deux longueurs d’onde. Ainsi, nous réalisons une cavité de haute finesse efficace à 980 nm. Afin d’augmen- ter l’efficacité de conversion non linéaire, nous introduisons le cristal non linéaire dans la cavité pour effectuer la génération de seconde harmonique et ainsi obtenir un laser émettant autour de 490 nm. Dans le chapitre suivant, nous proposons une étude théorique permettant de comprendre le fonction- nement du pompage en intracavité et d’en comparer les performances avec les autres type de pompage (pompage direct par diode ou par laser limité par la diffraction), le but étant de démontrer tout l’intérêt de ce concept.
Rem : Une question se pose naturellement à ce point du manuscrit : ”Pourquoi ne pas avoir appliqué le pompage en intracavité aux cristaux dopés aux ions néodymes ?”. La réponse est relativement simple, la spectroscopie n’est pas adaptée. En effet le but initial est, rappelons le, de réaliser un laser pompé par diode. Dans le cadre d’un pompage en intracavité, il est donc nécessaire de réaliser une source laser pompée par diode émettant à une longueur d’onde à laquelle le milieu à trois niveaux est susceptible d’absorber. Or pour les ions néodyme, cela revient à construire un laser oscillant autour de 800 nm. Seuls les cristaux de Ti :Sa et les colquirites dopées aux ions chromes (ex : Cr :LiSAF) sont susceptibles de fournir une telle longueur d’onde. Or nous avons vu dans la première partie tous les problèmes relatifs à ces deux cristaux et à leur pompage.
De l’intérêt du pompage en intracavité,
théorie et comparaison aux autres modes
de pompage
En comparaison avec le pompage direct par diode, le pompage en intracavité présente deux étages la- sers bien distincts et intrinsèquement liés. Afin de dimensionner le système global, il est nécessaire de définir chacun des sous-systèmes. Dans une première partie, nous justifions l’utilisation d’un cristal d’Yb :S-FAP comme milieu à gain à trois niveaux pour démontrer le concept du pompage en intra- cavité dans le proche infrarouge et ainsi réaliser un laser à 985 nm. Une fois ce choix justifié, nous présentons une étude théorique autour de ce cristal permettant de motiver son pompage à 914 nm à l’aide d’un cristal de Nd :YVO4pompé par diode. Nous effectuons alors une modélisation du système
global et en déduisons la puissance intracavité accessible, que nous comparons aux autres types de pompage.
3.1
Pourquoi l’Yb :S-FAP : le problème de la sélectivité spectrale
Le pompage en intracavité est un moyen de dépasser les problèmes liés à la fable luminance de la source de pompe. Cependant certains problèmes sont toujours présents, notamment celui de la sélectivité spectrale (pour forcer le laser à opérer sur la raie à trois niveaux). Dans la première partie de ce manuscrit, nous avons réussi à dépasser cette limitation à l’aide de miroirs réalisant le rôle de filtres spectraux sélectionnant la transition à trois niveaux. Cependant dans le cadre des cristaux dopés aux ions ytterbium, ce problème est beaucoup plus difficile à surmonter. En effet, les spectres d’émission des cristaux dopés ytterbium sont en général très larges et continus, allant d’environ 980 nm (transition à trois niveaux) à plus de 1050 nm (transition à quasi-trois niveaux). Une explication détaillée de cette spectroscopie caractéristique aux ions ytterbium est présentée dans les travaux de [Jacquemet 05]. En guise d’illustration, les figures 3.1.a et 3.1.b représentent les spectres d’émission des cristaux d’Yb :YAG et d’Yb :KYW.
(a) Yb :YAG
(b) Yb :KYW
FIGURE3.1 – Exemple de spectres d’émission de cristaux dopés aux ions ytterbium
Afin de s’affranchir du problème de sélectivité spectrale, nous avons décidé d’utiliser un cristal de la classe des fluoroapatites, l’Yb :Sr5(PO4)3F ou Yb :SFAP. Ce cristal fut développé au Lawrence
Livermore National Laboratory (LLNL) en 1994 dans le but de l’utiliser pour la chaine laser Mer- cury [Payne 94]. Son principal atout par rapport aux autres cristaux dopés ytterbium est son spectre d’émission présenté en figure 3.2.a et 3.2.b présentant deux raies distincts relativement fines à 985 nm (transition à trois niveaux) et 1047 nm (transition à quasi-quatre niveaux) sans émission intermédiaire.
De par ce spectre d’émission, il est facile d’envisager d’opérer la sélectivité spectrale à l’aide de miroirs dichroïques hautement réfléchissants à 985 nm et de haute transmission à 1047 nm. De plus l’oscillation à 985 nm ayant déjà été démontrée en pompage par Ti :Sa dans une cavité possédant un faible niveau de pertes (transmission du coupleur de l’ordre de 7%) [Yiou 03b], ceci laisse présager la possibilité d’obtenir un effet laser à 985 nm dans une cavité de haute finesse. En pompage direct par diode, seul le régime quasi-continu a été démontré à 985 nm et à 492.5 nm aprés génération de seconde harmonique [Bayramian 00] et [Jeffries 06].
Nous proposons donc d’utiliser le pompage en intracavité pour démontrer une oscillation laser effi- cace en régime continu à 985 nm en pompage indirect par diode, dans un cristal d’Yb :S-FAP. Pour ce faire, il nous faut désormais définir la longueur d’onde de pompe, objet de la section suivante.
(a) Spectre d’émission pour E k c (b) Spectre d’émission pour E ⊥ c
(c) Spectre d’absorption pour E k c (d) Spectre d’absorption pour E ⊥ c FIGURE3.2 – Spectres d’émission et d’absorption d’un cristal d’Yb :S-FAP