Le pompage direct par laser : faisabilité et premières démonstrations

Ce concept a fait l‟objet d‟un dépôt de brevet par la société Spectra-Physics en 1991 [Jacobs '91]. Les premières expériences ont été publiées vers la fin des années 90. Ces travaux ont été menés dans un premier temps à l‟aide d‟un pompage par laser avant d‟être adaptés pour le pompage par diode.

La configuration de pompage par laser présente des avantages indéniables pour la réalisation d‟un oscillateur laser. La source privilégiée est généralement un laser continu accordable basé sur un cristal de saphir dopé au titane. Ainsi, l‟expérimentateur a non seulement un choix précis en longueur d‟onde, mais une telle source permet également de bénéficier d‟une bonne qualité de faisceau de pompe et d‟une bonne finesse spectrale (inférieure à 0,1 nm). Ces propriétés sont utiles pour favoriser le recouvrement spatial entre le volume excité et le mode laser et pour favoriser le recouvrement spectral entre la pompe et le spectre d‟absorption des cristaux étudiés. Cela permet alors d‟utiliser de longs cristaux faiblement dopés pour limiter les effets thermiques.

La première étude a été réalisée à la fois avec des cristaux de YAG et de vanadate à la fin des années 1990 par l‟équipe de R. Lavi [Lavi '99]. Les pentes d‟efficacités obtenues restent limitées à 45 % pour le YAG pompé à 869 nm et à 33 % pour le vanadate pompé à 880 nm. Toutefois, la comparaison avec un pompage à 808 nm dans des conditions expérimentales similaires montre que le concept de pompage direct permet une amélioration de l‟efficacité d‟environ 10 %. L‟année suivante, ce même groupe de recherche utilise ce type de montage pour pomper un cristal de Nd:YAG directement à 885 nm [Lavi '00]. Plus récemment, différents travaux effectués sous l‟impulsion de V. Lupei et N. Pavel ont permis d‟atteindre des efficacités très proches du défaut quantique grâce à un dimensionnement approprié des cristaux et des paramètres de cavité [Lupei '03a-Lupei '03b-Sato '03]. Le détail de ces résultats obtenus pour des cristaux de Nd:YVO4, Nd:GdVO4 et Nd:YAG est donné dans le Tableau 1-1 (à la page 171) : les pentes d‟efficacités atteignent alors 80 %.

En 2008, la première démonstration de pompage d‟un cristal de Nd:YAG à partir du sous-niveau le plus haut du multiplet fondamental a également été réalisée avec un

pompage par un laser Ti:Saphir accordé à 946 nm. A température ambiante, une puissance de 72 mW à 1064 nm est obtenue avec une pente d‟efficacité de 42 % [Goldring '08]. Cependant, la pente reste loin de la valeur du défaut quantique qui vaut 89 %.

Le pompage par laser a également été utilisé pour pomper le cristal de Nd:YVO4 depuis le sous-niveau 4_I

9/2(Z5) directement dans la bande d‟émission dans une configuration reposant sur le principe de pompage intracavité (voir la Figure 1-2 ci-dessous). Une première cavité laser fonctionne sur la transition à quasi-trois niveaux d‟un cristal de Nd:GdVO4 à 912 nm (formée des miroirs M1, M2, M3 et M5). L‟onde laser émise sert ensuite de pompe pour un cristal de Nd:YVO₄ inséré dans la première cavité. Une seconde cavité résonnante à 1064 nm est alors alignée (formée des miroirs M4 et M5) autour de ce cristal. Le pompage est très efficace non seulement grâce aux propriétés spatiale et spectrale du faisceau laser, mais également grâce à la forte puissance intracavité à 912 nm. Dans cet exemple, tous les miroirs sont traités de façon à favoriser les puissances intracavités à 912 nm et 1064 nm. Ce principe a permis d‟obtenir efficacement une somme de fréquence dans un cristal non-linéaire de BiBO pour générer une puissance de plus de 300 mW à 491 nm [Hérault '08].

Figure 1-2 : Schéma de pompage intracavité d‟un cristal de Nd:YVO4 à

912 nm pour générer un signal à 491 nm.

Ces résultats obtenus à l‟aide d‟un pompage avec des faisceaux monomodes transverses et de faible largeur spectrale permettent de démontrer la faisabilité du concept de pompage direct. En pompage par diodes laser, l‟émission spatiale est de moins bonne qualité et la largeur spectrale est plus importante (de l‟ordre de 2 à 3 nm en général). Cela nécessite alors un dimensionnement soigné des cristaux et des cavités lasers.

1.4

Le pompage direct par diode

Dès les premières démonstrations de ce concept à l‟aide d‟un pompage par laser, l‟intérêt d‟utiliser des diodes lasers comme source de pompage a été évident afin d‟augmenter la puissance de sortie des lasers à cristaux dopés néodyme et d‟améliorer le rendement électrique-optique global de ces systèmes. Cependant, le développement des structures semiconductrices en arséniure de gallium-aluminium (AlGaAs) n‟a permis la réalisation de diodes lasers émettant autour de 880 nm qu‟au début des années 2000. Les premiers travaux de pompage par diode à 885 nm du Nd:YAG ont été fait à ce moment. Ces recherches ont abouti à une puissance de près de 14 W à 1064 nm dans un barreau

long et fin où la pompe est guidée par réflexions totales internes (selon le concept de laser à fibre cristalline présenté dans la partie I précédente) [Lavi '01]. Cette démonstration a été réalisée en pompant sur la transition à 885 nm (4_I

9/2(Z2) → 2F3/2(R2)) et non sur la transition à 869 nm (4_I

9/2(Z1) → 2F3/2(R2)) qui présente pourtant une meilleure absorption de par le peuplement plus important du sous-niveau Z1. Cela peut s‟expliquer par le fait que les diodes lasers n‟existaient pas à la longueur d‟onde de 869 nm.

Figure 1-3 : Premier laser Nd:YAG pompé par diode laser à 885 nm [Lavi '01].

Dans le même temps, des travaux ont également été menés chez Spectra-Physics pour pomper directement le Nd:YVO₄ à 880 nm à l‟aide d‟une diode laser fibrée (dont le développement était réalisé dans la même entreprise) [Dudley '02]. Une puissance de 11 W à 1064 nm a été obtenue pour une puissance absorbée de 24 W.

Des développements technologiques récents dans le domaine des diodes lasers en AlGaAs ont permis de pomper efficacement le Nd:YVO4 à 888 nm (donc sur la transition 4_I

9/2(Z2) → 2F3/2). L‟absorption étant plus faible qu‟à 880 nm, un cristal de près de 30 mm de long a été utilisé et a permis d‟obtenir une puissance de près de 60 W avec une émission monomode pour une puissance absorbée de 82,3 W [McDonagh '06b]. Ce concept de pompage a ensuite été appliqué pour la réalisation d‟un oscillateur déclenché par cavity-

dumping [McDonagh '06a], d‟un amplificateur de forte puissance, d‟un oscillateur

fonctionnant en régime de verrouillage des modes en phase [McDonagh '07] ou encore pour la génération d‟harmoniques élevées à 532 nm et 355 nm [McDonagh '08].

Utilisant de plus fortes puissances de pompe, l‟équipe de D. Kracht du Laser Zentrum de Hanovre, a démontré la production d‟une puissance de plus de 250 W à 1064 nm à partir d‟un barreau de Nd:YAG de près de 55 mm de long pompé à l‟aide d‟un système de barrettes de diodes à 885 nm [Frede '06].