Au cours de cette thèse, nous nous intéressons à deux applications nécessitant des sources laser impulsionnelles : l'imagerie active et l'usinage laser. L'imagerie active nécessite des sources laser efficaces émettant dans la gamme de sécurité oculaire (entre 1,5 µm et 1,7 µm) à des cadence de l'ordre du kilohertz et produisant des énergies par impulsion de plusieurs millijoules. Les sources efficaces émettant dans la gamme de sécurité oculaire utilisent l'ion erbium. Cependant la structure électronique complexe de l'ion erbium entraîne de nombreux effets parasites qui limitent fortement l'énergie accessible lors d'un fonctionnement à haute cadence. Pour diminuer l'influence de ces effets parasites nous avons utilisé le concept de fibres cristallines dans le cadre d'une collaboration entre le Laboratoire Charles Fabry et l'entreprise Fibercryst. La géométrie des fibres cristallines, combinant les propriétés des cristaux massifs et les avantages des fibres en verre nous a permis de dépasser les limites des sources actuelles. L'usinage de matériaux requière des sources laser impulsionnelles émettant dans le proche infrarouge (1 µm) et alliant forte énergie, forte puissance crête et forte puissance moyenne. Pour réaliser de telles sources, il est nécessaire d'utiliser des milieux à gain permettant de limiter les phénomènes thermiques et les effets induit par la puissance crête (effets non-linéaires). Pour cela nous avons utilisé à nouveau le concept de fibre cristalline, dopée cette fois ci par l'ion néodyme. Ces fibres cristallines ont été utilisées comme amplificateur de puissance pour amplifier des micro-lasers fonctionnant à haute cadence (de 1 à 100 kHz) et produisant des impulsions courtes (< 1 ns). / In this thesis we investigate two different pulsed laser sources for two specific applications : remote sensing and material processing. On the first part, remote sensing require efficient laser source emitting in the eye-safe range (1.5 – 1.7 µm) and producing several millijoules per pulse at a few kilohertz. Efficient eye-safe laser sources use erbium doped gain media. Nevertheless, the complex electronic structure of the erbium ion leads to several parasitic effects which limit the energy at high repetition rate. In order to minimize those effects we have used the concept of single crystal fibers developed in a close collaboration between the Laboratoire Charles Fabry and the company Fibercryst. The specific geometry of single crystal fibers, merging the advantages of bulk crystals and optical fibers, allows us to overcome limits of current laser sources. On the other part, material processing require near-infrared pulsed laser sources (1 µm) with high pulse energy, high average power and high peak power. In such laser sources, the amplifying medium must be design to avoid both thermal effects and non liner effects. For this purpose, we used neodymium doped single crystal fibers as power amplifier to enhance the performance of passively q-switched microlasers operating at high repetition rate (1 to 100 kHz) and emitting short pulses (< 1 ns).

Parmi les nombreuses applications des sources laser, certaines nécessitent une propagation du faisceau dans l'atmosphère sur plusieurs kilomètres : télémétrie, désignation, ou encore imagerie active. Pour éviter tout risque oculaire tout en proposant de plus grandes portées, ces applications doivent faire appel à des sources laser émettant une longueur d'onde dans la gamme à sécurité oculaire autour d'un minimum local d'absorption de l'atmosphère (1550-1650 nm). De telles sources existent déjà commercialement, mais ne répondent pas aux exigences militaires de compacité, de consommation électrique, de performance et de fonctionnement sur une large gamme de température (-40°C/+60°C).Mes travaux de thèse tentent d'apporter une réponse à l'ensemble de ces exigences. Avec l'aide des partenaires industriels Fibercryst et Cilas, ils portent sur la réalisation de sources laser compactes et efficaces à fibre cristalline Er3+:YAG directement pompée par une diode laser pour des applications militaires.A l'aide d'un algorithme de simulation d'un laser Er3+:YAG déclenché passivement élaboré et affiné durant la thèse, plusieurs sources sont réalisées expérimentalement. L'étude autour des absorbants saturables pour le déclenchement passif a permis une amélioration notable des caractéristiques du faisceau.Ces recherches, dont les résultats peuvent déjà présenter un certain intérêt commercial, ouvrent la voie vers de nouvelles techniques et architectures autour des sources laser à cristaux dopés aux ions erbium pour la conception de futurs prototypes plus performants. / Among the several applications of laser sources, some requires kilometers range propagation in the atmosphere : telemetry, guidance system or active imagery. High pulse energy improves the range of the system, but may cause permanent blindness to an observer's eyes. Hence, these applications must use laser beam which wavelength are located in the eye-safe region, ideally at the local minimum of the atmosphere absorption (1550-1650 nm). Such laser sources are already commercially available, but are not suited for the demanding military needs : compacity, electrical consumption, performance and large operating temperature range (-40°C/+60°C).My work aims to develop a laser source filling these specifications. Thanks to the collaboration with the industrial partners Fibercryst and Cilas, it focuses on the design of a compact, efficient, directly diode-pumped Er3+:YAG single cristal fiber laser for military applications.With a homemade numerical simulation of a passively Q-switched Er3+:YAG laser source, many laser emitters are experimentally designed and compared. Further studies around saturable absorbers allowed sensible improvements of the output pulse energy.This work, whose results may already be commercially interesting, may lead to new technics and architectures of erbium doped solid-state laser for better prototypes.

High power thulium fiber lasers are interesting for a myriad of applications due to their potential for high average output power, excellent beam quality, compactness, portability, high operating efficiency and broad, eye-safe spectral range from 1.8-2.1 microns. Currently, the majority of thulium laser research effort is being invested into scaling average output powers; however, such output powers are being scaled with no degree of control on laser system output spectrum or temporal behavior. Thulium fiber laser technology is not useful for many of its most important applications without implementation of techniques enabling tunable, narrow spectral widths with appropriate pulse durations for particular applications. This work outlines several techniques for spectral control of thulium fiber lasers and investigates scaling of average laser powers while using these techniques to maintain a desired spectral output. In addition, an examination of operation in both nanosecond and picosecond pulsed regimes and scaling of average powers and pulse energies in these regimes to useful power levels is conducted. The demonstration of thulium fiber laser systems for applications in frequency conversion and spectral beam combination is also discussed. In addition to the experimental results, theoretical modeling of thulium fiber amplifier operation, simple thermal management analysis, as well as practical fiber and system design considerations for future power scaling are presented. Experimental and theoretical results of this work will enable the successful design of future extremely high power spectrally and temporally controlled thulium fiber laser systems.

Cette étude s’intéresse à l’amélioration des performances du laser solide Er3+:YAG, dont la longueur d’onde de 1,64 µm est dite « eye-safe ». L’une des solutions est le remplacement des monocristaux actuellement utilisés comme milieu amplificateur par des céramiques polycristallines Er:YAG transparentes, dont les propriétés thermomécaniques remarquables permettent une meilleure cohérence du faisceau de sortie et de ce fait, une augmentation des performances du laser. Cependant, la réunion des différents critères requis pour obtenir la transparence reste un réel challenge dans l’élaboration de ces céramiques. L’utilisation de poudres commerciales issues de deux voies de synthèse différentes a permis de souligner le rôle primordial des caractéristiques physiques de la poudre sur le comportement à la compaction et au frittage, effectué par Spark Plasma Sintering, tandis que la composition phasique et la pureté chimique conditionnent la qualité optique finale. Il ressort également que la coloration de la céramique observée lors du frittage résulte, non pas d’une contamination au carbone, mais de la formation de lacunes d’oxygène. Enfin, l’analyse et la compréhension du mode d’action du LiF utilisé comme aide au frittage ont permis d’établir des mécanismes réactionnels permettant d’optimiser le cycle de frittage. Cette démarche a conduit à l’obtention de céramiques polycristallines transparentes (Ø = 30 mm, e = 3 mm) à qualité optique élevée avec des valeurs de transmission de 80 % à 400 nm et 84 % à 1100 nm. Sur la base de ces résultats et de la simulation numérique, un changement d’échelle des céramiques (Ø = 50 mm, e = 5 mm) a été effectué dans le but de les évaluer en cavité laser. / This work focus on the improvement of the solid state Er3+:YAG laser performances presenting an "eye-safe" wavelength at 1.64 µm. One way is the replacement of single crystals currently used as gain media by polycrystalline ceramics as they present improved thermo-mechanical properties allowing a longer use of the laser. However, the meeting of different criteria requested to get transparency remains a challenge in the development of these ceramics. The use of commercial powders produced by two different synthesis ways allowed to highlight the essential role of the physico-chemical characteristics of the powder on compaction and sintering behaviors, performed by Spark Plasma Sintering, Phase composition and chemical purity have an influence of the final optical quality. It was also figured out that the gray coloration of the ceramic observed after sintering is caused by the formation of oxygen vacancies, rather than a carbon contamination. Finally, the mode of action of LiF, used as sintering aid to increase optical transmittance, was studied in order to establish reaction mechanisms allowing an optimization of the SPS cycle. This approach helps to reach Er3+:YAG transparent polycrystalline ceramics (Ø = 30 mm, thk = 3 mm) with an optical transmittance of 80 at 400 nm and 84 % at 1100 nm. On the basis of these results and with the help of numerical simulation, an up-scaling of ceramics (Ø = 50 mm, thk = 5 mm) was undertaken in order to evaluate their laser performances through laser cavity tests.