Les fibres optiques en silice dopées ytterbium sont couramment utilisées pour des applications laser à forte puissance depuis plusieurs années. Ces puissances ne cessent de croître en raison de progrès continus sur les procédés de fabrication des fibres optiques. Cette thèse s’intéresse à l’élaboration de cœurs de fibres optiques en silice vitreuse dopée ytterbium par un procédé plasma (SPCVD). Cette technique a été inventée en 1986 pour la fabrication de fibres optiques de télécommunications et nous l’avons adaptée dans ces travaux de thèse à la fabrication de cœurs de fibres à grande aire effective dopés en terres rares. Dans un premier temps, la mise au point du procédé et des différentes sources d’évaporation des précurseurs est présentée. Les principaux cœurs de fibres élaborés sont très riches en silice, et faiblement dopés en aluminium, en fluor et en ytterbium. L’homogénéité radiale et longitudinale des cœurs est discutée, et plusieurs options sont proposées pour l’améliorer. Dans un deuxième temps, la structure du réseau vitreux des cœurs élaborés ainsi que l’environnement et la dispersion de l’ion Yb3+ au sein du réseau vitreux silicaté sont étudiés. Pour cela, une approche multi-spectroscopique est utilisée : la résonance magnétique nucléaire informe sur l’environnement des noyaux à spin nucléaire non nul 29Si, 27Al et 19F tandis que la résonance paramagnétique électronique à impulsions permet à la fois de sonder spécifiquement l’environnement de l’ion Yb3+ et d’étudier sa dispersion au sein du réseau vitreux. Ces expériences sont complétées par des caractérisations optiques telles que l’absorption et la luminescence des ions Yb3+. Enfin, les cœurs de fibres élaborés par la méthode SPCVD sont caractérisés en cavité laser. L’efficacité de conversion, la qualité de faisceau et la résistance au photonoircissement de plusieurs cœurs aluminosilicatés co-dopés en fluor et en ytterbium sont présentés. / Ytterbium-doped silica optical fibers are widely used for high power laser applications for several years. These powers keep on increasing due to continuous improvements in optical fibers fabrication processes. The aim of this PhD is to synthesize ytterbium-doped silica optical fibers’ cores using a plasma process named SPCVD. This method has been created in 1986 for telecommunications optical fibers synthesis, and we have adapted it to fit the fabrication of rare earth-doped large-mode-area optical fiber cores. We first present the development of ways of evaporating low vapor pressure reagents. All the synthesized optical fiber cores are silica-rich, and slightly doped with both aluminum, fluorine and ytterbium. Radial and longitudinal homogeneities are discussed, and we propose several options in order to improve them. Then, the glassy network structure of the fabricated cores and also the neighborhood and dispersal of Yb3+ ion in the silicate network are studied. Thus, we used several spectroscopic studies: nuclear magnetic resonance enables to focus on non-zero nuclear spin nucleus (29Si, 27Al, 19F) whereas electronic paramagnetic resonance is used to probe the neighborhood and the dispersal of Yb3+ ions. We also based our study on optical characterizations as absorption and luminescence of Yb3+ ions. Finally, the fibers’ cores we synthesized using the SPCVD process have been characterized in a laser cavity. We present the power conversion efficiency, the beam quality and the resistance to photodarkening of several ytterbium and fluorine-co-doped aluminosilicate cores.

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Chaque faisceau d'un laser de puissance, tel que le Laser MégaJoule, est mis en forme et voit son énergie amplifiée à l’aide d’une centaine de composants optiques tels que des plaques de verre amplificateur, des lentilles, des miroirs, des lames de phase, des réseaux... 'Evidemment ces composants ne sont pas parfaitement réalisés et ils présentent à leurs surfaces des défauts de fabrication. Ces imperfections peuvent être dues aux outils de polissage des composants, aux dépôts antireflet ou même apparaitre au cours de la phase d’exploitation ou de remédiation du composant. Ces défauts contribuent à une baisse des performances du Laser MégaJoule que ce soit au niveau de l’énergie déposée au centre de la chambre d’expériences ou à l’endommagement accéléré des composants optiques placés en aval. Actuellement la norme ISO 10110-7 est utilisée pour spécifier les défauts d’aspect. Cependant elle manque de justification pour les besoins d’une chaine laser de puissance. Dans le cadre de la thèse nous nous intéressons exclusivement à l’endommagement fratricide local des composants optiques. Un défaut présent à la surface du composant module l’onde lumineuse par phénomène de diffraction. Un << point chaud >> peut apparaitre dans le faisceau laser augmentant alors la densité locale surfacique d’énergie appliquée aux composants suivants. La loi d’endommagement prédit une augmentation de la probabilité d’endommagement puisque la densité d’énergie est modifiée. Une première étude, fondée sur les équations de Fresnel, met en évidence les paramètres intéressants à spécifier pour prédire les intensifications engendrées par des défauts typiques. Le lien entre paramètres du défaut et intensifications diffractées est, ensuite, validité expérimentalement sur des cas réels de défauts. Une seconde étude établit un seuil exprimé en puissance en deçà duquel l'hypothèse d'une propagation linéaire, selon les équations de Fresnel, est valide. La cohérence des résultats donnés par le seuil en puissance et par la simulation numérique renforce l’idée voulant que la propagation d’un << point chaud >> en présence d'effet Kerr soit sensiblement différente de celle d’un faisceau gaussien. Fort de ces deux résultats nous sommes en capacité d'établir une spécification des défauts d’aspect en ayant une meilleure compréhension de l’endommagement fratricide local. / Each beam of a high power laser facility, such as the Laser MégaJoule, is shaped and amplified thanks to hundreds optical components such as amplifier slabs at Brewster’s angle, lenses, mirrors, phase plates, diffraction gratings... Of course, all these components cannot be perfect; there are some defects on their surface. These imperfections appear at each stage of the life of the component, during polishing, coating, or mitigation process or when the component is used on the facility. They have a huge impact on the energy losses delivered on the target and they decrease the resistance of downstream components to intense light. The ISO 10110-7 standard is currently used to specify the visual defects. However, this standard is poorly justified and do not fit a high power laser needs. In this thesis, we are focused on the fratricide effect. Light propagates through a defect, then, some intensity modulations appear along the propagation. The damage law states that high energy density leads to an increase of the damage probability. Firstly, we investigate the characteristic parameters of the defect morphology linked to the formation of downstream << hot spots >>. Then, the link between these typical parameters and the high intensifications are confirmed by experiments on real defects. Secondly, a power criterion is demonstrated to guarantee the linear propagation hypothesis. This criterion is compared to numerical simulations and it is shown how the nonlinear propagation, induced by Kerr effect, can be different between the << hot spot >> formed by a defect and a Gaussian beam. Finally, the results are used to improve the visual defect specification thanks to a better understanding of the fratricide effect.

Un grand nombre d’applications réclament des sources laser en régime impulsionnel toujours plus puissantes et énergétiques. Les progrès continus des technologies laser permettent non seulement d’améliorer les performances de l’outil laser mais aussi d’ouvrir la voie à de nouvelles applications. Cependant, l'augmentation de la puissance des sources laser est aussi accompagnée par une complexification des systèmes. Cette thèse porte sur l’étude d’amplificateurs laser de puissances qui se distinguent par la simplicité de leurs architectures : avec un ou deux passages dans le milieu laser. Dans la première partie, nous étudions le potentiel de la fibre cristalline Yb: YAG pompée par diode en tant qu’amplificateur. Les effets de confinement de l’intensité de pompe au centre de la fibre cristalline par guidage sont étudies théoriquement et expérimentalement. Deux expériences démontrent ensuite l’intérêt de la fibre cristalline Yb:YAG en tant qu’amplificateur de puissance de sources laser à fibres, l’une en régime femtoseconde et l’autre avec un laser mono-fréquence. Par ailleurs, nous explorons le potentiel de notre concept en régime de forte puissance. Une puissance de 250 W en oscillateur et une extraction de 100 W en amplificateur ont été obtenues avec une diode de pompe de 600 W. La deuxième partie traite de l’étude d’amplificateurs à base de cristaux de Nd:YVO4. Le dimensionnement de notre système est réalisé en s’appuyant sur une étude des propriétés du Nd:YVO4. L’amplificateur ainsi obtenu affiche des performances inédites qui se caractérisent par un très fort gain optique (40-60 dB) couplé à une forte extraction de puissance moyenne (10 à 15 W). / A wide range of scientific and industrial applications require pulsed laser sources delivering increasing amount of powers and pulse energies. Continuous progresses in the field of laser technology do not only bring significant process efficiency improvements but also allow developing new applications. However, the complexity of laser sources has significantly increased over the years together with their performance. In contrast, this work focuses on power amplifier architectures which are particularly simple (with one or two passes). In the first part, we study the potential of Yb:YAG single crystal fibers. Pump intensity confinement by the pump beam guiding is studied in details both theoretically and experimentally. Two experiments demonstrate the interest of Yb:YAG single crystal fibers as a power amplifier for fiber based laser sources, one in femtosecond regime and the other one with a single frequency laser. Furthermore, the potential of our architecture is also explored in high power regime. An output power of 250 W for the oscillator and 100 W power extraction with the amplifier were obtained with a 600 W pump diode. The second part describes the study of laser amplifiers using longitudinally pumped Nd:YVO4 bulk crystals. We study the effect of temperature increase in the laser crystal and evaluate the influence of the doping concentration and excited state population on the heat load. Guided by the conclusion of our study, we design a high gain amplifier characterized by very high optical gain (40-60 dB) coupled to a high average power extraction (10 to 15 W)

[pt] Neste estudo é apresentada a análise da interação da luz laser de alta potência com rochas nos processos de perfuração por fragmentação térmica. O objetivo principal do trabalho é estabelecer, através de um estudo experimental, a possibilidade de utilizar a tecnologia a laser na perfuração de rochas duras, tais como o granito, quartzo, entre outros. Sua motivação encontra-se na aplicação de novas tecnologias para desenvolver ferramentas que melhorem a eficiência no processo de perfuração de poços (maior taxa de penetração), e conseguir retirar a maior quantidade de material fragilizado pela irradiação do laser. Para isto, foi necessário fazer uma montagem opto–mecânica envolvendo um sistema de limpeza que ajudasse a remover o material fragilizado pela ação do laser, usando-se gás de nitrogênio a alta pressão. Foram analisados diferentes intervalos de tempo de exposição da radiação do laser nas rochas, para avaliar a taxa de volume retirado, e a quantidade de energia específica requerida para perfurar diferentes materiais, em função da potência e do tempo de irradiação do laser. Seguindo a revisão bibliográfica na seleção do material, foram escolhidos três tipos de materiais (granito branco, granito cinza e travertino) conhecidos comercialmente no Brasil e que têm similitude (na composição química) com as rochas encontradas nas formações do Pré-sal. A partir desta seleção, foi indispensável conhecer a composição química dos materiais através de fluorescência, raios X, e Microscopia de Varredura (MEV). Além disso, estudou-se o comportamento termomecânico das rochas carbonáticas através de análises térmicas (Termogravimetria e Análise Térmico Diferencial), para identificar e compreender os fenômenos envolvidos no processo de perfuração. Os resultados obtidos são analisados para parametrizar as variáveis em consideração, melhorando as condições do processo de perfuração por fragmentação térmica, dependendo do material estudado. / [en] This study presents the analysis of the interaction of high power laser light with rocks in thermal fragmentation drilling processes. The main objective of the work is to establish, through an experimental study, the possibility of using laser technology in the drilling of hard rocks, such as granite, quartz and others. The motivation is the application of new technologies to develop tools that improve the efficiency in the well drilling process (higher penetration rate), and to be able to remove the largest amount of material weakened by laser irradiation. For this, it was necessary to make an opto-mechanical assembly involving a cleaning system that would help to remove the material weakened by the action of the laser, using nitrogen gas at high pressure. Different exposure time intervals of laser radiation in the rocks were analyzed to evaluate the volume rate removed and the amount of specific energy required to drill different materials, depending on the power and irradiation time of the laser. Following the literature review in selecting the material, three types of materials (white granite, gray granite and travertine) known commercially in Brazil and that are similar (in chemical composition) to the rocks found in the pre-salt formations were chosen. From this selection, it was essential to know the chemical composition of the materials through fluorescence, X-rays, and Scanning Microscopy (SEM). In addition, the thermomechanical behavior of the carbonate rocks wasstudied through thermal analysis (Thermogravimetry and Differential Thermal Analysis) to identify and understand the phenomena involved in the drilling process. The results obtained are analyzed to parameterize the variables under consideration, improving the conditions of the drilling process by thermal fragmentation, depending on the material studied.

L’amplification par dérive de fréquence démontrer en 1985 a permis la création d’installations laser en impulsions courtes tels que Petal (Petawatt Aquitaine Laser). La montée en puissance de ces lasers est limitée par la résistance au flux laser des composants placés après la compression. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la résistance au flux laser de ces composants qui sont des miroirs qui consiste en un empilement multicouches. Trois approches sont envisagées le changement de designs des empilements couches minces (nombre de couche, épaisseurs), de matériaux et/ou de procédés de fabrication. Une étude numérique a permis d’envisager théoriquement le changement de matériaux et/ou de design et de quantifier les améliorations possibles. Cette étude a mené au développement d’un algorithme d’optimisation des designs qui nécessite la caractérisation préalable des matériaux. Par conséquent, une variété de matériaux déposés en monocouches a été testée au flux laser et caractérisé optiquement pour évaluer l’adéquation matériaux et technique de dépôt. Les résultats obtenus montrent une forte dispersion qui ne peut être expliqué par des lois préalablement établi dans la littérature. Cependant, une bonne corrélation entre le seuil de tenue au flux laser intrinsèque dans l’infrarouge et l’absorption dans l’ultraviolet a été observé ce qui confirme l’influence de l’absorption multi-photonique sur l’endommagement laser en impulsions courtes. Pour finir, l’ensemble de ces résultats expérimentaux et de l’algorithme d’optimisation ont permis la fabrication d’échantillons de miroirs qui montrent une amélioration du seuil de tenue au flux laser de 73% par rapport à des miroirs quart d’onde classiques. / The chirped pulse amplification demonstrated in 1985 allowed the development of petawatt class laser such as Petal (Petawatt Aquitaine Laser). The increase of power of those facilities is limited by the resistance to laser-induced damage of the optical components placed after the compression stage. The aim of this thesis is to improve the laser-induced damage threshold of those components which are multilayer dielectric mirrors. Three paths of improvement are considered the change of design (number of layer, thicknesses), of materials and/or deposition process. A numerical study allows evaluating the potential improvement brought by two of those paths. This led to the development of a design optimization algorithm that required the prior characterization materials. Consequently, various materials deposited as single layers were laser damage tested and optically characterized to evaluate the adequacy of the materials with the deposition process. The results show a wide discrepancy that cannot be explained by the laws exposed in the literature. However, a good correlation was found between the intrinsic laser-induced damage thresholds in the infrared with the absorption in the ultraviolet confirming the influence of the multiphoton absorption in the laser-induced damage mechanisms. Finally, those experimental results combined with the optimization algorithm allowed the development of mirror samples that exhibit laser-induced damage threshold 73% higher than one of classical mirrors.

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Para a espectroscopia de alta resolução e metrologia óptica em geral, é desejável um laser com linha espectral estável e de alta potência de saída para bombear diferentes tipos de ressonadores, como osciladores paramétricos óticos (OPO Optical Parametric Oscillator). Os lasers de frequência única disponíveis estão no alcance de potência de saída de 10 Watts, enquanto que, dependendo da aplicação e do tipo de OPO, é desejável uma maior potência (> 20 W). Neste trabalho foi desenvolvido um laser de frequência única e alta potência com base em módulos de bombeio por diodos e tendo como meio ativo o granada de alumínio de ítrio dopado com neodímio (Nd:YAG). Dois bastões de Nd:YAG bombeados transversalmente por diodo, foram utilizadas em uma configuração de ressonador em anel com saída polarizada de onda continua (CW continuous-wave), qualidade de feixe modo transversal eletromagnético (TEM00) e potência de saída de 105,2 W. A potência de saída alcançada é, a nosso entender, a mais alta para lasers em anel no modo fundamental transversal polarizado contínuo usando módulos Nd:YAG comuns com bombeamento lateral. O ressonador permitiu a sintonização de potência em uma grande faixa dinâmica e obteve excelente qualidade de feixe, usando uma placa de meia onda entre os dois bastões para compensação de birrefringência. A operação de frequência única foi alcançada usando cristal de granada de térbio-gálio (TGG-Terbium Gallium Garnet), dois imãs e um etalon, com uma potência de saída de 51,60 W e uma largura a meia altura da curva (FWHM) espectral de aproximadamente 17 MHz. / For high resolution spectroscopy, a high power, stable line output laser is desirable for pumping different types of optical parametric oscillator resonators (OPO). Single-frequency lasers are in the range of 10 watts of output power, while, depending on the application and the OPO type, higher power (> 20 W) is desirable. In this work a single frequency high power laser based on diode pumping modules with Nd:YAG as the active medium was developed. Two Nd:YAG bars transversally pumped by diodes were used in a configuration of a CW polarized ring resonator with beam quality TEM00 and output power of 105,2 W. The output power achieved is, to our knowledge, the highest for continuous polarized fundamental mode ring lasers using standard Nd:YAG modules with side pumping. The resonator allowed the tuning power in a large dynamic range and obtained excellent beam quality using a half-wave plate between the two rods for birefringence compensation. The single frequency operation was achieved using a TGG (Terbium Gallium Garnet) crystal, two magnets and an etalon, with an output power of 51.60 W and a 17 MHz full width at half maximum (FWHM) spectral width.

Halbleiterlaser stellen mit über 70% Wirkungsgrad einzigartig effiziente Lichtquellen dar. Dennoch ist ihre zuverlässige Nutzung, insbesondere im Bereich hoher Leistungsdichten, von thermischen Limitierungen geprägt. Einen grundlegenden Beitrag zu deren physikalischen Verständnis leistet die Analyse der thermischen Eigenschaften und Degradationsprozesse solcher Bauelemente. In dieser Arbeit wird hierzu die Thermographie als innovative Analysemethode untersucht. Das Plancksche Strahlungsgesetz erlaubt die radiometrische Ermittlung der Temperatur. Die wichtige physikalische Kenngröße Emissivität wird in dieser Arbeit für Halbleiter und Halbleiterlaserstrukturen spektral gemessen und auf fundamentale physikalische Eigenschaften zurückgeführt. Auf dieser Grundlage werden methodische Aspekte der Thermographie diskutiert, welche durch den thermischen Hintergrund und die teilweise Transparenz der Halbleitermaterialien geprägt sind. Die daraus folgenden analytischen Fähigkeiten erlauben unter anderem die orts- und zeitaufgelöste Bestimmung der thermischen Eigenschaften von komplexen Hochleistungslasern unterschiedlichster Bauart. Darüber hinaus ermöglicht die Kenntnis der beteiligten thermischen Zeitkonstanten die Extraktion von lokalen Überhöhungen in der Infrarotemission, deren Zusammenhang zur Degradation der Bauelemente untersucht wird. Eine grundsätzliche Begrenzung der Ausgangsleistung ist durch einen abrupten Degradationsprozess gegeben, welcher maßgeblich durch eine Reabsorption der Laserstrahlung an der Frontfacette verursacht wird. Mithilfe einer kombinierten Thermographie-Nahfeld-Messung wird dieser Prozess orts- und zeitaufgelöst analysiert. Die Erweiterung des Messfensters zu kürzeren Wellenlängen hin erlaubt die Detektion strahlender Übergänge unter Einbeziehung von Defektzentren welche als strahlende Signaturen von graduellen Degradationsprozessen aufzufassen sind. / Semiconductor lasers are unequaled efficient light sources, reaching efficiencies of more than 70%. Nevertheless, thermal limits govern their reliable application, in particular in the field of high power densities. The analysis of thermal properties and degradation processes in such devices contributes essentially to the understanding of these limits. This work exploits thermography as an innovative analytical technique for such purpose. Planck''s law allows for a radiometric detection of temperatures. In this work, the important physical parameter emissivity is measured spectrally resolved for both semiconductors and semiconductor laser structures and is related to fundamental physical properties. Based on that, methodological aspects are discussed, which are affected on the one hand by the omnipresent thermal radiation and on the other hand by the partial transparency of the semiconductor materials. The resulting analytical capacities allow, for instance, for the determination of the thermal properties of complex high-power lasers of a wide range of different designs in a spatio-temporally resolved fashion. Furthermore, does the knowledge of the involved thermal time constants allow for an extraction of localized peaks of the infrared emission that is analyzed for its relationship with device degradation. The output power of high-power devices is fundamentally limited by the catastrophic optical damage, an abrupt degradation process that is induced significantly by reabsorption of laser radiation at the front facet. This process is analyzed spatio-temporally resolved with help of a combined thermography and optical near-field technique. Extending the detection range down to shorter wavelengths allows for imaging of radiative transitions that are related to defect centers, which are interpreted as radiative signatures of gradual device degradation processes.

Le travail présenté dans cette thèse repose sur l'expertise du groupe VeCSEL du l'Institut d'Électronique de Sud (IES) dans la conception, la réalisation et l'étude des VeCSEL dans le proche et le moyen infrarouge. Avant de s'engager dans le travail présenté ici, les VeCSELs développés au sein de notre laboratoire concernaient l'habituel fonctionnement monofréquence avec un faisceau TEM00, mais repoussé à forte puissance et à haute cohérence. L'objectif de cette thèse est d'aller au delà de cet état conventionnel, et explore d'autres états cohérents du photon, inhabituels dans le domaine de l'émission laser. Ces nouveaux états concernent aussi bien l'aspect transverse (spatial) que longitudinal (temporel) de l'onde. Plus particulièrement, l'émission laser de haute cohérence et de forte puissance sur les modes d'ordre supérieur Laguerre-Gauss dégénérés et non-dégénérés (vortex optiques), et les lasers large bande cohérents appelé aussi «~laser sans mode~». / The work presented in this thesis is based on the expertise of the VECSEL group of the Institut d'Électronique de Sud (IES) in the design, implementation and study of VECSEL in the near and mid infrared. Before engaging in the work presented here, the VeCSELs developed in our laboratory involved the usual single-frequency operation with a TEM 00 beam, but pushed to high power and high coherence. The objective of this thesis is to go beyond this conventional state and to explore other coherent states of the photon, unusual in the field of laser emission. These new states apply to both the transverse appearance (spatial) and longitudinal (time) of the wave. More specifically, the laser emission of high power and high coherence on the Laguerre-Gauss higher order modes degenerate and non-degenerate (optical vortex), and the wide band coherent lasers also called "modeless lasers".