Choix du dopage

Nous avons choisi d’utiliser des cristaux longs (10 mm) et peu dopés (0,1, 0,2 et 0,3%) pour essayer de limiter les problèmes thermiques en répartissant la charge calorifique sur une grande longueur. Un faible dopage permet également de limiter les effets dû à « l’up- conversion » : en effet, ce phénomène se traduit par l’adjonction d’un terme dans l’équation gouvernant l’inversion de population :

2 n n R dt dn _γ τ − − =

où n est la densité de population de l’état excité, R le taux de pompage, τ le temps de vie de fluorescence et γ le coefficient d’ up-conversion.

L’ up-conversion est un phénomène conduisant à une forte augmentation de la charge thermique dans les lasers et les amplificateurs [Doualan 00][Chen 00a], et est directement proportionnel au carré de la densité de population de l’état excité. On peut de plus montrer [Meilhac 02] que le coefficient γ augmente avec le dopage. Un faible dopage permet donc de limiter ce type d’effet parasite, ainsi que d’autres tels la relaxation croisée (qui est à prendre en compte lorsque le dopage est important, mais que l’on peut négliger à dopage faible).

Après avoir essayé plusieurs fournisseurs (Casix et New Photons) nous nous sommes aperçu que pour un même dopage annoncé les absorptions variaient de façon notable : afin que nos comparaisons aient un sens, nous n’avons finalement travaillé qu’ avec des cristaux fabriqués par Casix. Nous avons mesuré les absorptions respectives de ces trois cristaux : elles sont de 78%, 86% et 93%. Nous avons également testé un cristal dopé à 0,5% plus court (6 mm) qui absorbe 94 % de la puissance de pompe.

Les résultats obtenus sont présentés sur la courbe III.22. Il est à noter que la puissance de pompe a été portée de 12 à 15,7 W65 _{pour toutes les expériences présentées ici.}

65 _{La diode laser fibrée est en fait composée de nombreux émetteurs injectés chacun dans une fibre optique. Ces} fibres sont réunies en « paquet » (« bundle ») puis passe dans un système optique permettant de transférer le faisceau vers une seule fibre multimode, au prix d’une certaine perte de puissance. C’est en supprimant cet étage qu’on peut gagner en puissance, en faisant le pari que les inhomogénéités induites par ce pompage par « bundle » ne vont pas poser de problème…

0

1

2

3

4

5

0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Pentrée (mW)

Ps

or

tie

(W

)

Figure III.22 : Puissance de sortie en fonction de la puissance injectée dans l’amplificateur en 4 passages avec une puissance de pompe de 15,7 W et trois dopages différents.

On atteint plus de 4W avec le cristal dopé à 0,3% en quadruple passage, ce qui représente 66 % de mieux que les résultats obtenus avec le Nd :YAG pour deux fois moins de passages. Une grande part de ce gain est néanmoins simplement dû à l’augmentation de la puissance de pompe (impossible à réaliser avec le cristal de Nd :YAG : on atteint alors la limite de fracture): à puissance égale (12W) le gain n’est que de 15%. La figure III.23 représente la puissance de sortie obtenue en fonction de la puissance de pompe pour une puissance incidente de 108 mW. Il est à noter que la température et donc la longueur d’onde de la diode de pompe est optimisée pour la puissance maximale (15,7 W), et n’est pas retouchée pour les plus faibles puissances : c’est ce qui explique l’allure « non-linéaire » de la courbe obtenue.

On note que le cristal dopé à 0,3% donne des résultats bien meilleurs que les autres dopages. La surprise vient du cristal dopé à 0,2% (figure III.22) qui malgré une absorption plus importante se comporte à peu près comme le cristal dopé à 0,1%. On attribue ceci à la qualité optique du cristal qui s’est globalement avéré toujours moins performant que les autres, notamment en termes de résistance à la fracture. Nous nous sommes donc par la suite concentrés sur les cristaux dopés à 0,1 et 0,3%.

L’étude de la qualité spatiale du faisceau en sortie va nous fournir un second critère permettant de faire la différence entre les deux dopages. L’étude systématique du M² pour tous les cristaux nous réserve une (bonne) surprise : le faisceau est limité par la diffraction dans les deux

directions (pour le cristal à 0,3 % : M²x = 1,2 et M²y =1,1 tandis que pour le cristal à 0,1 % : M²x et

M²y =1,1). On a représenté sur la figure III.24 les profils des faisceaux avant et après

amplification au foyer d’une lentille de 500 mm de distance focale. Les profils sont gaussiens, cependant on note que la taille du faisceau augmente fortement – en raison des effets thermiques encore présents - lors du passage dans l’amplificateur (ce qui se traduit par une tache plus petite dans le plan focale de la lentille).

Le critère « qualité spatiale » n’en est donc plus un et seules les performances en termes de puissance vont désormais entrer en ligne de compte.

Figure III.23 : Puissance de sortie en fonction de la puissance de pompe pour deux dopages différents en 4 passages avec Psignal = 108 mW.

0 1 2 3 4 5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Ppompe (W) P so rti e (W ) dopage 0,1% dopage 0,3%

Il est enfin à noter que le cristal de Nd :YVO4 dopé à 0,5% et long de 6 mm donne des résultats très inférieurs à ceux présentés ci-dessus. Les effets de lentille thermiques sont alors si importants que le faisceau devient trop large pour sortir du système sans être « coupé » par les coins de cubes. Il semble bien que la clé de la bonne gestion des effets thermiques réside dans la combinaison faible dopage - long cristal choisie.

Le bénéfice susceptible d’être tiré des cristaux de Nd:YVO₄ peu dopés a déjà été étudié intensivement pour les oscillateurs lasers [Sennaroglu 00][Chen00a], mais beaucoup moins pour les amplificateurs. Ces cristaux permettent pourtant de diminuer considérablement tous les effets dus à un excès d’atomes dans le niveau supérieur tels que l’absorption par l’état excité, ou « l’upconversion» [Chen 00b]. Comme la population de l’état excité est plus importante dans les amplificateurs que dans les oscillateurs, ils sont bien plus sensibles à ces effets parasites : le fait d’utiliser un faible dopage permet donc, en plus de diminuer les dégradations d’origine thermique, de limiter l’influence de ces phénomènes.