Au cours de ce travail, nous nous sommes attachés à montrer l'intérêt du verre codopé erbium et ytterbium pour la réalisation de sources laser compactes continues ou déclenchées émettant dans la fenêtre spectrale de sécurité oculaire et pompées optiquement par des diodes laser de puissance.
L'utilisation d'une matrice amorphe limite les caractéristiques de ce laser en termes de résistance thermique et de largeur spectrale de fluorescence comparée à une matrice cristalline. Le schéma trois niveaux de la transition utilisée de l'ion erbium limite les performances du laser en termes de rendement et de puissance de pompe au seuil. Mais l'utilisation d 'un codopant (ytterbium) réalisant un transfert énergétique efficace vers l'ion erbium accroît considérablement les caractéristiques de ce matériau. En définitive, le verre codopé erbium et ytterbium est, à l'heure actuelle, le matériau présentant le meilleur rendement de conversion potentiel.
A l'aide de ce matériau, nous avons pu réaliser un laser continu pompé par un laser à saphir dopé au titane présentant une puissance de pompe au seuil de 90 mW incident et un rendement de l'ordre de 25 %. Ces caractéristiques étant compatibles avec l'utilisation d'une diode laser de puissance (InGaAsP) émettant vers 980 nm, nous avons réalisé un laser continu pompé par diode laser fibrée présentant une puissance de pompe au seuil de 100 mW incident et un rendement de l'ordre de 19 %. Ce laser a été déclenché par insertion dans la cavité d'un disque tournant présentant trois ouvertures de 500 µm. La commutation s'effectue à une cadence de 400 Hz. La puissance crête obtenue est de 120 W sur une impulsion de 35 ns de largeur à mi-hauteur pour 700 mW de puissance de pompe incidente.
Cette méthode de commutation est intéressante car sa réalisation est peu onéreuse comparée à un déclenchement actif traditionnel (cellule à effet électro-optique, acousto-optique...).
Nous avons également utilisé un diapason inséré dans la cavité. Ce système assure un encombrement nettement plus faible ainsi qu'une stabilité plus importante due à l'utilisation du diapason à sa fréquence de résonance. Mais le temps de commutation beaucoup plus important que dans le cas du disque tournant détériore les caractéristiques de l'émission laser obtenue. En effet, pour une puissance de pompe de 700 mW nous obtenons un train de quatre impulsions à une fréquence de 800 Hz. La première impulsion présente une largeur à mi-hauteur de 60 ns pour une puissance crête de 50 W.
C'est à partir de ce laser que nous avons réalisé un télémètre à sécurité oculaire basé sur la mesure du temps de vol d'une impulsion. Ce télémètre possède une portée estimée de 900 m avec une résolution de 3 m.
La caractérisation spectroscopique du matériau nous a permis de déterminer les paramètres importants pour le fonctionnement du laser. Ainsi nous avons mesuré la section efficace d'absorption à la longueur d'onde de pompe (1,2.10-20 cm2), la section efficace d'émission autour de 1,5 µm (7.10-21 cm2) et la durée de vie du niveau haut de la transition laser (9 ms). Cette étude sommaire nous a permis de conclure que les effets d'absorption par les états excités étaient négligeables.
Nous avons donc développé un modèle décrivant le fonctionnement du laser qui intègre les résultats de mesures spectroscopiques et qui a été validé en fonctionnement continu. Le modèle dynamique du laser quant à lui donne des ordres de grandeur des puissances crêtes et des largeurs d'impulsion.
Une fois le modèle continu validé, il a été utilisé pour calculer les paramètres d'un laser monolithique et monofréquence. Ce laser est constitué d'un disque de verre codopé erbium et ytterbium d'une épaisseur de 200 µm dont une face est traitée pour une réflexion maximale à la longueur d'onde laser et une transmission maximale à la longueur d'onde de pompe et l'autre face est traitée pour présenter un coefficient de réflexion de 99 % à la longueur d'onde laser et une réflexion maximale à la longueur d'onde de pompe. Les dopages en ion erbium et ytterbium sont respectivement 0,2.1021 cm-3 et 2,3.1021 cm-3.
Le verre codopé erbium et ytterbium utilisé comme nous l'avons fait
est proche de ces limites tant en termes de conductivité thermique que de rendement de
conversion. Il semble donc important de réaliser une matrice cristalline ayant une
résistance thermique élevée et une largeur spectrale de fluorescence plus faible que
celle du verre. l'importance des mécanismes de transfert énergétique observés dans les
verres codopés erbium et ytterbium est encore à démontrer pour des cristaux. Les
recherches semblent s'orienter vers des matrices comme le vanadate d'ytrium (YVO4).
Il serait donc intéressant de codoper cette matrice avec l'ion ytterbium et d'obtenir un
transfert d'énergie efficace ce qui aurait comme conséquence d'augmenter le rendement de conversion.
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