Monocristaux dopés ytterbium et matériaux assemblés pour lasers de fortes puissances.

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Petit, Johan (2006) Monocristaux dopés ytterbium et matériaux assemblés pour lasers de fortes puissances. Doctorat Physique et chimie des matériaux, ENSCP.

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Résumé

Les lasers solides dopés terres rares ont certains avantages: ils sont compacts, possèdent un fort rendement et leur faisceau est de bonne qualité. Le principal problème limitant la puissance est la production de chaleur inhérente au processus laser. Cette thèse comporte un premier volet consacré à l'étude de nouveaux matériaux à forte résistance à la puissance de pompage: GdVO4 :Yb et CaGdAlO4 :Yb en particulier. Des émissions laser quasiathermiques et des impulsions ultra-brèves ont été obtenues dans ce dernier. Dans un second volet, une nouvelle méthode d'assemblage par voie sol-gel a été étudiée pour créer des sources composites permettant une dissipation efficace de la chaleur. Avec cette technique, les homo-assemblages (matériaux de même nature chimique) présentent les mêmes capacités de résistance que ceux obtenus par la méthode de soudage par diffusion. Les hétéroassemblages (deux matériaux différents) sont difficiles à obtenir par diffusion mais, avec une interface issue du procédé sol-gel, ils ont résisté jusqu'à 200°C et 15 W de pompage. Les pertes lasers à l'interface sont négligeables et la température dans le matériau est abaissée de près de 40%.

Table des Matières

Introduction - 1
Partie 1: Nouveaux matériaux possédant un paramètre de résistance à la fracture sous flux laser élevé - 5
1. Introduction - 6
2. Résistance des matériaux laser sous forte puissance de pompage - 7
2.1. Propriétés intrinsèques de la matrice - 7
2.1.1. Détermination d'un paramètre de résistance aux chocs thermiques - 7
2.1.2. Prédiction de la conductivité thermique des isolants - 10
2.1.3. Mesures de la conductivité thermique - 13
2.1.4. Mesures des coefficients de dilatation thermique et de la chaleur spécifiques des composés - 18
2.2. Paramètres laser de l'ion ytterbium - 18
2.2.1. Les lasers quasi-trois niveaux - 18
2.2.2. Le défaut quantique ou "quantum defect" - 27
2.2.3. Les sections efficaces: absorption, émission et gain - 30
2.2.4. Emission coopérative de l'ytterbium - 31
2.3. Un nouveau facteur de mérite prenant en compte la résistance thermique du matériau et la production de chaleur. - 34
2.4. Choix des matériaux et influence de leur morphologie - 35
2.4.1. Orientation du choix de nouvelles matrices - 35
2.4.2. Sources laser existantes - 37
3. Croissance et étude de nouveaux matériaux dopés ytterbium - 41
3.1. Le CaGdAlO4 ou CALGO - 41
3.1.1. Croissance cristalline - 41
3.1.2. Etudes thermiques - 44
3.1.3. Etudes spectroscopiques - 45
3.1.4. Propriétés laser en régime continu - 53
3.1.5. Génération de pulses ultra-brefs - 60
3.1.6. Mesure de la température interne du CALGO :Yb en régime laser par une méthode spectroscopique - 62
3.1.7. Conclusion sur le matériau CaGdAlO4 :Yb - 69
3.2. Le vanadate de gadolinium, GdVO4 - 70
3.2.1. Croissance cristalline - 70
3.2.2. Etudes thermiques - 72
3.2.3. Etudes spectroscopiques - 74
3.2.4. Propriétés laser en pompage continu (saphir :Ti) - 77
3.2.5. Conclusion sur le vanadate de gadolinium dopé ytterbium - 78
3.3. Les orthoaluminates de terres rares: GdAlO3 et YAlO3 - 78
3.3.1. Croissance cristalline et structure - 78
3.3.2. Etudes thermiques - 81
3.3.3. Caractérisation des défauts colorés - 82
3.4. Matériaux à dilatation faible voire négative: cas de Lu2(WO4)3 - 86
3.4.1. Principe de la dilatation faible voire négative - 86
3.4.2. Croissance cristalline et structure - 89
3.4.3. Etude de la dilatation - 91
3.4.4. Propriétés spectroscopiques - 92
3.4.5. Conclusions sur Lu2(WO4)3 - 94
4. Discussion sur les matériaux en rapport avec les applications laser hautes puissances - 95
4.1. Conductivités thermiques de différents matériaux - 95
4.1.1. Les grenats - 95
4.1.2. Le CaF2 - 98
4.1.3. Les orthosilicates - 100
4.1.4. Les mélilites - 101
4.1.5. Conclusion sur les mesures de conductivité thermiques - 101
4.2. Comparaison des différents matériaux en terme de résistance à la puissance laser - 102
5. Conclusion sur les matériaux - 107
6. Références - 109
Partie 2: Réduction de l'échauffement dans les matériaux laser par assemblage - 115
1. Introduction - 116
2. Intérêt des assemblages - 117
2.1. Une dissipation axiale de la chaleur - 117
2.1.1. Principe - 117
2.1.2. Simulations de profils thermiques - 118
2.2. Rappels sur l'assemblage par diffusion - 126
2.2.1. Principe de la méthode - 126
2.2.2. Quelques exemples d'assemblages par diffusion - 129
3. Méthode d'assemblage par couche d'interface - 130
3.1. Rappels sur la formation d'un réseau de silice: procédé dit sol-gel - 130
3.1.1. Une polymérisation minérale - 131
3.1.2. Post traitement et applications - 135
3.1.3. Cahier des charges de l'interface pour l'assemblage de matériaux laser - 136
3.2. Méthodes de caractérisation des assemblages - 137
4. Assemblages réalisés et caractérisations - 139
4.1. Résistance thermique - 139
4.2. Les tests sous pompage laser - 140
4.2.1. Pompage sans effet laser - 140
4.2.2. Pompage avec effet laser - 151
5. Conclusion sur les assemblages - 154
6. Références - 156
Conclusion - 157
Annexes

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