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1 Soutenance de thèse “ Lasers femtoseconde Yb 3+ : BOYS et Yb 3+ : SYS ” Pierre Raybaut.

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1 1 Soutenance de thèse “ Lasers femtoseconde Yb 3+ : BOYS et Yb 3+ : SYS ” Pierre Raybaut

2 2 Introduction Sujet de thèse : nouveaux cristaux larges spectres d’émission –Étudier de nouveaux cristaux dotés de larges spectres d’émission : Yb 3+ : SYS, Yb 3+ : BOYS –Réaliser une chaîne laser femtoseconde amplifiée utilisant ces matériaux. Lasers femtoseconde ytterbium Produisant des impulsions brèves Utilisant des matériaux dopés à l’ytterbium Lasers solides Lasers pompés par diodes Source optique cohérente (éventuellement amplifiée) Efficacité, compacité, fiabilité, faible coût, simplicité Contexte scientifique :

3 3 Lasers femtoseconde Des applications dans de nombreux domaines Chirurgie oculaire Source : emedecine.com Médecine Industrie Micro-usinage Source : Thalès Laser Recherche Source : ELSA Microscopie

4 4 Usinage athermique Un exemple concret : « la découpe de bois » Laser nanoseconde Laser femtoseconde Vidéos extraites du CD ROM : « Le laser femtoseconde, un rayon pour le futur » Réalisation Mario PONTA

5 5 Lasers femtoseconde ytterbium Des applications dans de nombreux domaines Chirurgie oculaire Source : emedecine.com Médecine Industrie Micro-usinage Source : Thalès Laser Recherche Source : ELSA Microscopie But de cette thèse : Développer une nouvelle alternative : les lasers femtoseconde Yb 3+ : SYS (ou Yb 3+ : BOYS) Marché actuellement dominé par : –les lasers Ti:Sa (i.e. saphir dopé au titane) sources laser performantes pompage direct par diodes laser impossible : dispositifs complexes et peu efficaces –les lasers Yb 3+ : KGW (assez récemment)

6 6 Maintenant Plan 1.Nouveaux cristaux dopés à l’Yb 3+ Yb 3+ : SYS 2.Laser femtoseconde Yb 3+ : SYS Résultats expérimentaux 3.Atténuation et simulation du rétrécissement spectral par le gain 4.Conclusion et perspectives + court puissant

7 7 Spectroscopie de l’ion ytterbium Propriétés communes à tous les matériaux dopés à l’Yb 3+ : 2 F 5/2 2 F 7/ nm 1050 nm 980 nm –structure simple : pas de transferts d’énergie non radiatifs ; pas d’absorption par l’état excité. –pompage à 980 nm : pic d’absorption très intense ; diodes laser de puissance ; faible défaut quantique : 8 % à 1,06 µm ; laser quasi-trois niveaux :  N/N < 50%.  : taux d’inversion de population  N : inversion de population N : population totale Niveaux d’énergie de l’ion ytterbium

8 8 Cristaux récemment découverts : Yb 3+ : SYS, Yb 3+ : BOYS, Yb 3+ : GdCOB, … Collaboration : Spécificités de ces nouveaux matériaux dopés à l’ytterbium : –bande d’émission très large ; –propriétés thermiques satisfaisantes. Nouveaux cristaux dopés à l’ytterbium Laboratoire de Chimie Appliquée de l’État Solide Équipe Lasers Solides et Applications Recherche et fabrication de nouveaux cristaux Développement de nouvelles sources laser Impulsions brèves Impulsions énergétiques

9 9 2 F 5/2 2 F 7/2 Spectroscopie de l’Yb 3+ : SYS Élargissement des raies de l’ytterbium : Spectre d’absorption 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1, Longueur d’onde (nm) Section efficace (pm²) Spectre d’émission Longueur d’onde (nm) Section efficace (pm²) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1, Interaction électron-phonon Désordre structurel

10 10 Cristallogenèse de l’Yb 3+ : SYS Formule chimique de l’Yb 3+ : SYS : Yb 3+ : SrY 4 (SiO 4 ) 3 O De la classe des silicates : –fusion congruente à 1900°C ; –bonnes propriétés thermomécaniques. Croissance cristalline par la méthode de Czochralski. De forts taux de dopage sont réalisables : jusqu’à 100%. Multiples sites d’accueil pour l’Yb 3+ : désordre structurel important.

11 11 Cristallographie de l’Yb 3+ : SYS Yb 3+ : SrY 4 (SiO 4 ) 3 O Structure cristallographique de la matrice de SYS : Sites 6h (Y) SiO 4 Sites 4f (Sr ou Y) Légende Axe c Désordre structurel dans l’Yb 3+ : SYS : multiples sites d’accueil pour l’Yb 3+ –sites 4f occupés à moitié par le strontium et l’yttrium ; –l’ytterbium se substitue préférentiellement avec l’yttrium ; –si l’ytterbium se substitue avec le strontium : défaut de charge. Spectre de gain très large Désordre important

12 12 Spectre d’absorption de l’Yb 3+ : SYS 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1, Longueur d’onde (nm) Section efficace (pm²) Spectroscopie de l’Yb 3+ : SYS Section efficace d’absorption : 2 F 5/2 2 F 7/2 980 nm 940 nm 910 nm

13 13 Spectroscopie de l’Yb 3+ : SYS Section efficace d’émission : 2 F 5/2 2 F 7/ nm 1050 nm Spectre d’émission de l’Yb 3+ : SYS Longueur d’onde (nm) Section efficace (pm²) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1, nm

14 14  = 75 nm Spectroscopie de l’Yb 3+ : SYS Section efficace de gain : 2 F 5/2 2 F 7/ nm 1050 nm 980 nm  croissant  =50% Taux d’inversion (de population) :  augmente avec l’intensité laser de pompe 0% <  < 50%

15 15 Choix n°1 : –à spectre très large ; –à faible gain. Choix n°2 : –à spectre moyennement large ; –à fort gain. Nouveaux cristaux dopés à l’ytterbium Comparaison avec d’autres matériaux dopés à l’ytterbium : Matériau  (nm)  e (pm²) K (W/m/K) * Yb 3+ : SYS750,3≈ 2,2 Yb 3+ : BOYS750,21,5 Yb 3+ : Verre350,050,85 Yb 3+ : KGW252,83,8 Yb 3+ : YAG92,211 * Matériau non dopé. GrandeurIndication  Largeur spectrale 1 Durée ee Section efficace d’émission Gain K Conductivité thermique Propriétés thermiques Stratégie adoptée pour cette thèse

16 16 Récapitulatif Avantages : –fortes sections efficaces d’émission ; (parmi les nouveaux cristaux dopés à l’ytterbium) Longueur d’onde (nm) Section efficace d’émission (pm²)

17 17 Yb 3+ : SYS Récapitulatif Avantages : –fortes sections efficaces d’émission ; (parmi les nouveaux cristaux dopés à l’ytterbium) –spectre de gain très large ; –bonnes propriétés thermiques. Inconvénients : –faible gain ; (par rapport aux autres matériaux dopés à l’ytterbium) –domaine d’étude nouveau.

18 18 Maintenant Plan 1.Nouveaux cristaux dopés à l’Yb 3+ Yb 3+ : SYS, Yb 3+ : BOYS … 2.Laser femtoseconde Yb 3+ : SYS Résultats expérimentaux 3.Atténuation et simulation du rétrécissement spectral par le gain 4.Conclusion et perspectives + court puissant

19 19 Milieu amplificateur Absorbant saturable Impulsion laser Miroir Coupleur de sortie Dispersion négative Éléments de base d’un laser femtoseconde Oscillateur femtoseconde Amplificateur multipassage = Matériau laser à large spectre d’émission

20 20 Oscillateur femtoseconde Yb 3+ : SYS Montage expérimental : Yb 3+ : SYS (long de 3 mm) Miroirs dichroïques Prismes (SF10) Coupleur de sortie (2%) Fente SESAM (absorbant saturable à semi-conducteur) fourni par Thalès RT x6 Banc de pompe Diode laser 4W (1µm x 100µm) ≈976nm 0 =1070nm

21 21 Oscillateur femtoseconde Yb 3+ : SYS Impulsions les plus courtes  t ≈ 94 fs  ≈ 14 nm  t ≈ 0,35 P sortie (2%) ≈ MHz Performances Longueur d’onde centrale : 1070 nm Notations  t Durée d’impulsion  Largeur spectrale P sortie Puissance moyenne de sortie AutocorrélationSpectre

22 22 Oscillateur femtoseconde Yb 3+ : SYS Impulsions les plus énergétiques  t ≈ 110 fs  ≈ 12 nm  t ≈ 0,33 P sortie (6%) ≈ MHz Performances AutocorrélationSpectre Longueur d’onde centrale : 1066 nm Notations  t Durée d’impulsion  Largeur spectrale P sortie Puissance moyenne de sortie Rendement optique-optique de 10 % ! 1,55 x 110 fs 12 nm

23 23 Oscillateur femtoseconde Yb 3+ : SYS Comparaison des résultats Matériau Durée expérimentale record Longueur d’onde centrale Principe de l’absorbant saturable Yb 3+ : Verre58 fs1020 nmSESAM Yb 3+ : BOYS69 fs1062 nmSESAM Yb 3+ : KYW71 fs1025 nmKLM * Yb 3+ : SYS94 fs1070 nmSESAM Yb 3+ : KGW112 fs1045 nmSESAM Yb 3+ : YAG340 fs1031 nmSESAM * « Kerr Lens Mode-locking » : verrouillage de modes par lentille de Kerr

24 24 Éléments de base d’un laser femtoseconde Oscillateur femtoseconde Amplificateur multipassage = Matériau laser à large spectre d’émission Milieu amplificateur Impulsion laser N passages

25 25 Amplificateur multipassage Amplificateur régénératif : –N grand (de 50 à 200 typiquement) –Gain par passage : petit –Gain global de l’ordre de 10 5 à Milieu amplificateur Polariseur Miroir Cellule de Pockels Pompe

26 26 Amplification à dérive de fréquence Oscillateur femtoseconde Yb 3+ : SYS 1 nJ Énergie par impulsion Enveloppe de l’impulsion 120 fs Durée de l’impulsion Compresseur > 120 fs ~ 0,1 mJ Amplificateur régénératif Yb 3+ : SYS ~ 0,1 mJ Puissance crête de 8 kW Focalisé sur Ø 300 µm : I 1 ~ 10 MW/cm² Étireur 0,5 nJ 360 ps Étirement d’un facteur allant de 2000 à 4000 Puissance crête de 0,8 GW 120 fs Focalisé sur Ø 300 µm : I 2 ~ 1 TW/cm² Seuils de dommage (verres, silice,…) : ~ 10 GW/cm² = 1000 I 1 = I 2 /100

27 27 Amplification à dérive de fréquence Oscillateur femtoseconde Yb 3+ : SYS Compresseur Amplificateur régénératif Yb 3+ : SYS Étireur Compresseur classique à deux réseaux Étireur de type Öffner Réalisé en collaboration avec le.

28 28 Amplificateur régénératif Yb 3+ : SYS Seuil de dommage Gain faible de l’Yb 3+ : SYS Petites sections de faisceau Endommagements du cristal d’Yb 3+ :SYS Fluence intracavité importante S trop petite : endommagements S trop grande : pas assez de gain Nécessité de trouver un compromis Gain petit signal : Énergie stockée dans le cristal Section du faisceau laser dans le cristal Fluence de saturation du cristal

29 29 Yb:SYS (long de 5 mm) Banc de pompe Miroir dichroïque Diode laser (4W) /4 Polariseur Éjection Injection Cellule de Pockels Amplificateur régénératif Yb 3+ : SYS Montage expérimental Ø = 270 µm Ø = 850 µm Temps d’aller-retour dans la cavité : ~ 9,1 ns Cadence : de 200 Hz à 1 kHz

30 30 Photodiode rapide Amplificateur régénératif Yb 3+ : SYS Phases de stockage et d’extraction d’énergie Fonctionnement de l’amplificateur :

31 31 Amplificateur régénératif Yb 3+ : SYS Phases de stockage et d’extraction d’énergie Fonctionnement de l’amplificateur : Photodiode rapide Phase de stockage d’énergie Phase d’extraction d’énergie Vue schématique Pertes intracavité Intensité intracavité Temps de création

32 32 Amplificateur régénératif Yb 3+ : SYS Phases de stockage et d’extraction d’énergie Fonctionnement de l’amplificateur : Photodiode rapide Temps de création de 1,6 µs Résultats expérimentaux Temps de création de 900 ns 9,1 ns Injection Sans injection

33 33 Amplificateur régénératif Yb 3+ : SYS Résultats expérimentaux Énergie par impulsion 70 µJ Largeur spectrale amplifiée 3,4 nm Durée des impulsions 380 fs  0,34 Stabilité RMS < 3% Performances à 1 kHz après compression : (Entrée : ≈ 1 nJ) (Entrée : 10 nm) (Entrée : 120 fs) AutocorrélationSpectre 1,55 x 380 fs 3,4 nm 10 nm

34 34 Amplificateur régénératif Yb 3+ : SYS Étude en cadence Énergie en fonction de la cadence :

35 35 Amplificateur régénératif Yb 3+ : SYS Comparaison des résultats Matériau Durée expérimentale record ÉnergieCadence Puissance totale de pompe Efficacité optique- optique* Yb 3+ : Verre200 fs1 mJ150 Hz 80 W à 980 nm 0,19 % Yb 3+ : SYS380 fs70 µJ1 kHz 4 W à 980 nm 1,75 % Yb 3+ : KYW400 fs40 µJ1 kHz 3,2 W à 940 nm 1,25 % Yb 3+ : KGW420 fs120 µJ1 kHz 15 W à 980 nm 0,80 % Yb 3+ : KYW460 fs65 µJ1 kHz 20 W à 980 nm 0,32 % * Rapport entre puissance moyenne de sortie et puissance totale de pompe.

36 36 Maintenant Plan 1.Nouveaux cristaux dopés à l’Yb 3+ Yb 3+ : SYS, Yb 3+ : BOYS … 2.Laser femtoseconde Yb 3+ : SYS Résultats expérimentaux 3.Atténuation et simulation du rétrécissement spectral par le gain 4.Conclusion et perspectives + court puissant

37 37 Maintenant Dernière partie de la soutenance 3.Atténuation et simulation du rétrécissement spectral par le gain Tendances Travail sur le spectre des impulsions Quel est le lien entre spectre et enveloppe temporelle ?

38 38 Lien entre  et  t –Définition de  : –Mesure de  : Oscillateur femtoseconde Yb 3+ : SYS Compresseur Amplificateur régénératif Yb 3+ : SYS Étireur  t entrée  t sortie >  t TF   t TF Transformée de Fourier  ~ 1,23  =  t sortie  t TF

39 39 Qu’est ce que le RSG ? Longueur d’onde Puissance Longueur d’onde Puissance Longueur d’onde Puissance Spectre injecté Amplificateur régénératif (spectre de gain) Spectre amplifié Rétrécissement Spectral par le Gain (RSG)

40 40 Simulation réaliste du RSG Mieux comprendre Pour mieux prévoir –Prévoir la largeur spectrale en fin de chaîne ; –Identifier les paramètres clef. Simulation numérique du RSG : modèle de type Frantz-Nodvik adapté au lasers quasi-trois niveaux et généralisé au cas non monochromatique

41 41 Simulation réaliste du RSG

42 42 Dazzler ® Saturation du gain Atténuation du RSG Comment atténuer le RSG ? –Diminuer le nombre d’allers-retours N. –Augmenter la largeur du spectre de gain : en changeant de matériau laser, en augmentant le taux d’inversion de population moyen. –« Trouer » le spectre : du gain du matériau laser, du spectre des impulsions avant amplification.

43 43 Atténuation du RSG Saturation du gain Saturation du gain : augmentation du taux d’inversion   = 75 nm  croissant  =50%  = 10%, 20%, 30%, 40% et 50%

44 44 Atténuation du RSG Saturation du gain Saturation du gain : augmentation du taux d’inversion   croissant  =10%  = 6%, 7%, 8%, 9% et 10%  = 53 nm Cristal long de 1,5 mm Cristal long de 5 mm  = 44 nm

45 45 Atténuation du RSG Saturation du gain Résultats expérimentaux : Échantillon d’Yb 3+ : SYS long de 5 mm Échantillon d’Yb 3+ : SYS long de 1,5 mm Largeur spectrale amplifiée 3,4 nm4,1 nm Saturation du gain + 20% de largeur spectrale Énergie par impulsion ~ 10 µJ 4,1 nm 3,4 nm

46 46 Dazzler ® Saturation du gain Atténuation du RSG Comment atténuer le RSG ? –Diminuer le nombre d’allers-retours N. –Augmenter la largeur du spectre de gain : en changeant de matériau laser, en augmentant le taux d’inversion de population moyen. –« Trouer » le spectre : du gain du matériau laser, du spectre des impulsions avant amplification.

47 47 Atténuation du RSG Simulation du trou spectral Simulation de l’influence de la profondeur du trou spectral :

48 48 Atténuation du RSG Utilisation d’un Dazzler® Photographie : Mise en œuvre expérimentale simple et rapide. Intégration dans la chaîne complète : Oscillateur femtoseconde Yb 3+ : SYS Étireur Amplificateur régénératif Yb 3+ : SYS Compresseur Dazzler ® © Fastlite Filtre acousto-optique programmable Interaction acousto- optique colinéaire dans un matériau massif.

49 49 Atténuation du RSG Utilisation d’un Dazzler® Filtre acousto-optique programmable via un signal électrique temporel radiofréquence. Agit aussi bien sur l’amplitude que sur la phase spectrale des impulsions. Principe de fonctionnement : Axe ordinaire (rapide) Impulsion brève Axe extraordinaire (lent) Impulsion étirée et modelée Onde acoustique z Cristal de TeO 2

50 50 Spectres mesurés Enveloppes temporelles calculées Atténuation du RSG Utilisation d’un Dazzler® Profondeur du trou croissante Durée décroissante

51 51 Atténuation du RSG Utilisation d’un Dazzler® trou (nm)  trou (nm) H trou  sortie (nm)  t TF (fs)  t TF (fs) --04, ,05,31, ,85,30,886, ,38,30,945, Longueur d’onde centrale Largeur à mi-hauteur Profondeur Paramètres du trou spectral Largeur à mi-hauteur Durée par TF Durée corrigée Résultats expérimentaux Résultats déduits par calcul Exemples de résultats obtenus : 1234

52 52 Atténuation du RSG Utilisation d’un Dazzler® 1 Entrée Sortie expérimentale Sortie simulée Outil fiable de prévision Simulation numérique 234

53 53 Maintenant Plan 1.Nouveaux cristaux dopés à l’Yb 3+ Yb 3+ : SYS, Yb 3+ : BOYS … 2.Laser femtoseconde Yb 3+ : SYS Résultats expérimentaux 3.Atténuation et simulation du rétrécissement spectral par le gain 4.Conclusion et perspectives + court puissant

54 54 Conclusion Oscillateur femtoseconde Yb 3+ : SYS : –Impulsions très courtes (pour un oscillateur femtoseconde ytterbium) –Grande efficacité optique-optique (10%) Amplificateur régénératif Yb 3+ : SYS : –Impulsions très courtes (pour un amplificateur pompé par diodes) –Grande efficacité optique-optique (1,75%) Manipulations spectrales avec le Dazzler ® :  t < 300 fs tt Ef 0 94 fs1 nJ108 MHz1070 nm 110 fs4 nJ98 MHz1066 nm tt Ef fs70 µJ1 kHz1066 nm

55 55 Perspectives Améliorations possibles de l’oscillateur : –optimisation du cristal : longueur, dopage, … –optimisation du SESAM –augmentation de l’intensité de pompe Améliorations possibles de l’amplificateur : –augmentation de la puissance de pompe –minimisation des pertes –optimisation du cristal : longueur, traitement de surface,… –compensation du RSG avec le Dazzler ®. Oscillateur femtoseconde Yb 3+ :SYS Amplificateur régénératif Yb 3+ :SYS

56 56 Perspectives Améliorations possibles de l’oscillateur : –optimisation du cristal : longueur, dopage, … –optimisation du SESAM –augmentation de l’intensité de pompe Améliorations possibles de l’amplificateur : –augmentation de la puissance de pompe –minimisation des pertes –optimisation du cristal : longueur, traitement de surface,… –compensation du RSG avec le Dazzler ®. Oscillateur femtoseconde Yb 3+ :SYS Amplificateur régénératif Yb 3+ :SYS

57 57 Ecrit et Realise par Pierre Raybaut

58 58 Produit par Thales Laser CNRS

59 59 Dirige par Alain Brun

60 60 Producteurs executifs Frederic Druon Patrick Georges Francois Balembois

61 61 Musique de eScape project

62 62 Avec, par ordre alphabetique : Laboratoire d’optique appliquée Frédérika Augé Jean-Paul Chambaret Thales Research and Technologies Jean-Pierre Huignard Christian Larat Thales Laser Franck Falcoz Eric Lalier Laboratoire pour l’utilisation des lasers intenses Catherine Le Blanc Fastlite Daniel Kaplan Pierre Tournois ~ Equipe Lasers Solides et Applications François Balembois Alain Brun Frédéric Druon Patrick Georges Thierry Lépine Gaelle Lucas-Leclin Gérard Roger Aude Bouchier Sébastien Chénais Claude Doulé Sébastien Forget Elvire Guiot Mathieu Jacquemet Renaud Lebrun Yann Louyer Sébastien Pelletier Stéphane Victori Sylvie Yiou Institut d’Optique Thierry Avignon Lionel Jacubowiez Marie-Thérèse Plantegenest Jacky RObin

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