La suite du chapitre concerne l’étude des caractéristiques de l’ion Nd3+dans les matrices de GGG (grenat de gallium et de gadolinium) et de YLF (fluorure de lithium et d’yttrium). Chacun de ces ions dopants Nd3+insérés dans la matrice modifie la valeur des niveaux d’énergie selon le champ
cristallin. Nous faisons un bref rappel historique du développement de ces milieux à gain.
Le Nd:GGG Les propriétés de croissance excellente du GGG en grosses boules, ainsi que sa
qualité optique élevée en font un bon hôte pour les ions de terres rares [69]. L’effet laser a été reporté en 1964 par GEUSICet al. [70] et les données spectrales des niveaux d’énergie du Nd:GGG ont été relevés par DESHAZERet RANONen 1973 [71]. La dispersion de l’indice de réfraction du Nd:GGG, calculée à partir des équations de Sellmeier, a été déterminée par DESHAZER [69]. L’hôte GGG est dur, de bonne qualité optique et a une conductivité thermique élevée. De plus, la structure cubique du GGG favorise une largeur de raie de fluorescence étroite, résultant dans un gain élevé et un seuil faible pour l’opération laser. Dans le Nd:GGG, puisque le néodyme trivalent
se substitue à l’yttrium de même valence, la compensation de charge n’est pas nécessaire. Le Gd2Ga5O12 pur est un cristal optiquement isotrope possédant une structure cubique de grenats.
Dans ce cristal, environ 1 % des ions Y3+ sont substitués par des Nd3+. Les rayons des deux ions de terres rares diffèrent d’environ 3 %. Avec l’addition d’une plus grande quantité de néodyme le réseau du GGG peut être sérieusement distordue.
Il fut particulièrement intéressant, comme une alternative au Nd:YAG, pour réaliser un os-
cillateur maître à verrouillage de mode. Il peut aussi être utilisé dans une chaîne d’amplifica- teur de Nd:verre multi-kilojoule. En effet, la longueur d’onde laser (1,0622 µm) s’adapte quasi-
parfaitement au maximum de la courbe de gain du verre laser ED-2 [72] (1,0623µm). Ceci repré-
sente une augmentation de 6 % de l’efficacité de l’amplificateur [69]. Tout comme le Nd:YAG, le
Nd:GGG peut être utilisé pour réaliser soit un laser unidirectionnel, monolithique en anneau [73]
(très stable en fréquence mais d’accordabilité limité), soit un laser semi-monolithique dans lequel l’on peut accorder davantage la longueur d’onde [74].
Le Nd:YLF Le cristal de Nd:YLiF4 a été découvert en 1969 [75] et a été initialement pressenti
pour remplacer le Nd:CaWO4. Le Nd:YLF a montré des propriétés supérieures au Nd:YAG dans le
pompage par lampe grâce à son temps de vie plus long. Toutefois, le coût élévé et la disponibilité limitée dans l’obtention de grandes pièces conduit à une utilisation modérée du laser Nd:YLF. Avec
54 4. Propriétés du Nd:GGG et du Nd:YLF
les LESPD, nous n’avons pas besoin de grandes pièces. Le Nd:YLF apparaît supérieur au Nd:YAG
pour le pompage par diode dans la plupart des applications où sa biréfringence naturelle n’est pas un problème puisque les pertes par dépolarisation y sont négligeables. Néanmoins, le principal défi dans l’obtention d’une puissance élevée avec le Nd;YLF concerne le seuil de fracture thermique qui
est 5 fois plus petit que celui du Nd:YAG [76]. Il démontre en outre quelques avantages spécifiques.
1. La durée de vie du niveau excité conduit à des impulsions en régime déclenché plus énergé- tique.
2. La largeur de raie plus grande donne un plus grand nombre de modes dans l’opération en régime déclenché, résultant dans une meilleure stabilité de l’énergie des impulsions.
3. Les effets thermiques étant réduits, ils engendrent une performance plus grande (dans une gamme de puissance multi-watt). En effet, la biréfringence naturelle domine complètement la biréfringence induite thermiquement, éliminant ainsi la dépolarisation. Un laser 40 W TEM00à 1047 nm a été démontré [77] et la faible lentille thermique a été mesurée pour les
deux polarisations [78].
4. Une des raies laser (1,321µm) domine fortement dans la fenêtre à 1,3 µm des fibres optiques,
au lieu des deux raies du Nd:YAG à 1,319 µm et à 1,338 µm.
5. A 1,0 µm comme à 1,3 µm, il y a deux longueurs d’onde disponibles, qui peuvent être
sélectionnées facilement, en plaçant par exemple, un élément polarisant dans le résonateur.
Le tableau 4.2 donne les principales transitions lasers à 1µm et 1,3 µm.
TAB. 4.2 – Longueurs d’onde lasers essentielles dans le Nd:YLF.
Longueurs d’ondeπ Longueurs d’ondeσ
1,321µm 1,313µm
1,047µm 1,053µm
La transition laser du Nd:YLF à 1,053 µm s’adapte bien au maximum de la courbe de gain
des verres fluorophosphates dopés au Nd. Ainsi, le Nd:YLF est utilisé dans les oscillateurs maîtres
pour les chaînes d’amplificateurs. Il est aussi employé dans des oscillateurs en régime déclenché et dans des oscillateurs-amplificateurs comportant peu d’étages par rapport au Nd:YAG pour la
même énergie.
De plus, il est aussi avantageux d’utiliser le Nd:YLF dans le pompage par diode car la durée
de vie de fluorescence est deux fois plus longue que celle du Nd:YAG. Les diodes lasers étant
limitées en puissance, un temps de pompage plus grand, permis par le temps de fluorescence plus long, fournit deux fois plus d’énergie de stockage pour le même nombre de diodes.
Un désavantage peut être l’incompatibilité des lasers Nd:YAG déjà existant, qui oscillent à des
longueurs d’onde différentes. En outre, le Nd:YLF est légèrement plus difficile à fabriquer que le
Nd:YAG. Pour des lasers avec des puissances pompe proches de 10 W, la fracture thermique se
révèle être un problème pour le Nd:YLF, alors que ce n’est pas le cas avec le YAG, puisque sa
dureté et sa conductivité thermique sont toutes les deux plus grandes.