Le laser Mégajoule, dédié à l’interaction laser-matière pour la physique des hautes énergies est composé de modules pré-amplificateurs (MPA) devant respecter une qualité de faisceau exigeante. Les MPA actuels utilisent des matériaux verre phosphate dopé au Néodyme pour un fonctionnement à 1053 nm. Leur cadence de tir est cependant limitée à 1 tir / 5 min à cause de leur faible conductivité thermique. Il serait intéressant d’augmenter cette cadence pour optimiser le temps alignement des optiques ou réaliser des diagnostics sur l’installation laser. Pour augmenter la cadence de tir des MPA, nous proposons de changer le matériau actuel par du Nd :Lu :CaF2 de conductivité thermique dix fois plus élevée en vue d’atteindre une cadence de répétition de 10 Hz. Dans ce travail de thèse, nous présentons une étude des effets thermomécaniques induits par un pompage diode inhomogène et transverse, de fluence 13 J/cm2. Nous présentons les mesures de biréfringence résolues spatialement avec un montage en polariseur-analyseur croisés. La distribution des contraintes thermomécaniques associées est reconstruite par un modèle de simulation avec le logiciel COMSOL®. Enfin, une étude de l’influence de l’orientation cristalline du Nd :Lu :CaF2 est développée afin d’expliquer la disparité de biréfringence induite mesurée entre les échantillon de Nd :Lu :CaF2. / Laser facility such as the Megajoule Laser dedicated to laser-matter interaction including inertial fusion need pre-amplifier modules (PAM) which must respect a high beam quality. The current PAM use Phosphate glass doped with Neodymium material to work at 1053 nm with a repetition rate of 1 shot / 5 min limited by a low thermal diffusion. However, it would be interesting to increase the shot rate for alignment or diagnostic purposes. Therefore, we propose to change this amplification material by crystal Nd :Lu :CaF2 with a thermal diffusion ten times higher in view of achieving a repetition rate of 10 Hz. In this PhD work, we report a characterization of the thermal induced effects under a diode inhomogeneous and transverse pump with an energy density of 13 J/cm2. We begin by studying the spatially resolved induced birefringence with a cross polarizer-analyzer setup. We reconstruct the stress pattern of our samples by simulating the global setup with COMSOL® software which includes the thermal and mechanic Multiphysics interaction. This model allows us first to compare with experimental results and then to entirely simulate the mechanical behavior of this new material. A detailed study of the influence of the crystal orientation on the induced birefringence is presented to explain the disparity observed on the different samples Nd :Lu :CaF2 measurements

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%.

Actuellement, les lasers visibles et UV sont étudiés dans de nombreux domaines d'application (médecine, militaire, communication, etc.). Le doublage de fréquence intracavité à l'aide de cristaux non-linéaires apparaît comme une bonne solution pour générer de telles sources de lumière cohérente à partir de lasers solides usuels émettant dans l'IR. Dans ce cadre, la famille non linéaire Ca4LnO(BO3)3 (Ln = lanthanide, LnCOB) présente un intérêt grandissant pour la conception de systèmes lasers visibles compacts. De plus, ces offrent une grande flexibilité en terme de composition permettant d'envisager des substitutions partielles susceptibles de conduire à l'accord de phase non critique (APNC). Ainsi, nous nous sommes intéressés dans ce travail à diverses substitutions cationiques à travers les solutions solides telles que Gd1-xYxCOB, Gd1-xLaxCOB, Gd1-xScxCOB (élaborée pour la première fois), Ln1-xBixCOB (Ln = Gd ou Y) et (Ca1-xSrx)4GdO(BO3)3 dans le but d'étudier leur cristallogenèse et d'ajuster la longueur d'onde en APNC en composition. La plage spectrale visée est directement reliée à l'émission laser issue de la transition 4F3/2-4I9/2 des matrices lasers dopées au néodyme, par exemple YAP:Nd (YAlO3) à 930 nm, YAG:Nd (Y3Al5O12) à 946 nm ou ASL:Nd (Sr1-xNdyLax-yMgxAl11-xO19) à 900 nm. Nous avons également démontré que la composition destinée à l'APNC peut être déterminée en connaissant les indices de réfraction des matrices "mères" M1-xM'xCOB (M, M' = Ln) avec x = 0 ou 1, en utilisant la loi de Clausius-Mosotti. Deux systèmes lasers bleus ont alors été choisis pour générer le second harmonique de type I en APNC: un cristal laser YAG:Nd associé au non-linéaire Gd0.87Y0.13COB à 946 nm, ou à 900 nm en utilisant l'ASL:Nd associé à un cristal Gd0.56Y0.44COB. Par ailleurs, nous avons obtenu pour la première fois l'effet laser à 900 nm du cristal ASL:Nd.

Les lasers solides activés Ln3+ offrent de grands avantages: compacité, grande monochromaticité, faible divergence. Deux gammes spectrales sont étudiées: vers 1,55μm et le bleu. Le dopage Yb-Er de cristaux comme le CAS (Ca2Al2SiO7), LnCOB (LnCa4O(BO3)3 - Ln=Y,Gd), GdVO4 ou CLAPO (Ca8La2(PO4)6O2) conduit à une émission vers 1,55μm. Après cristallogenèse et études spectroscopiques, un effet laser vers 1,55μm est obtenu dans le CAS et les LnCOB. Avec des cristaux dopés Nd, nous désirons une courte longueur d'onde laser (~900nm) pour réaliser un laser bleu après conversion de fréquence. Les matrices dopées Nd3+ sont des aluminates ABAlO4 (A=Ca,Sr-B=Y,Gd) ou ASL (Sr1-xLaxMgxAl12-xO19), gallates ABGa3O7 (A=Ca,Sr-B=La,Gd) ou scheelites AMO4 (A=Ca,Sr,Ba-M=Mo,W). Après cristallogenèse et études spectroscopiques, l'effet laser est obtenu vers 900nm dans CaWO4, SrLaGa3O7 et l'ASL. Avec celui-ci, un laser à 450nm est réalisé par doublage de fréquence avec LBO, BiBO, GdCOB, YCOB ou Gd0,58Y0,42COB.

Ce mémoire de thèse porte sur de nouveaux composés borates non linéaires de la famille GdCOB (GdCa4O(BO3)3). Il s'inscrit dans le cadre d'une étude de la relation structure - propriétés au sein de cette famille d'oxoborates, en recherchant de nouvelles matrices mixtes Gd1-xRxCa4O(BO3)3 (R = Sc, Lu). Nous avons fait le choix d'exploiter cette variété de compositions pour réaliser le doublage en condition d'accord de phase non critique (APNC) à température ambiante de longueurs d'onde spécifiques dans la plage spectrale 800 - 950nm. De plus le dopage de ce type de matrice par le néodyme a été envisagé afin d'étudier leurs propriétés laser et la faisabilité de dispositifs autodoubleurs. Les propriétés non linéaires des composés Gd1-xRxCa4O(BO3)3 ont été caractérisées. Des ions Nd3+ ont été insérés dans les matrices Gd1-xRxCa4O(BO3)3 et les propriétés non linéaires et laser de ces matériaux ont été analysées. Pour une propagation selon l'axe Z une émission laser à 1061nm, polarisée selon Y, a été obtenue. La possibilité de réaliser l'autodoublage de fréquence en APNC de l'émission laser infrarouge des cristaux élaborés a aussi été examinée.

L'objet de cette thèse est l'étude de la sélection des structures transverses stationnaires dans les lasers. Nous nous attachons à décrire expérimentalement et à expliquer numériquement à l'aide d'une méthode de type Fox--Li les observations de modes transverses qui peuvent être réalisées dans un laser à état solide pompé longitudinalement. Ainsi, nous sommes amenés à explorer en profondeur le comportement des cavités non--dégénérées dans différentes situations de pompage, ainsi que les notions de dégénérescence exacte et de dégénérescence partielle. Nous sommes également amenés à étudier, bien que de manière assez qualitative, le rôle important des effets thermiques dans la formation des modes transverses dans les zones de dégénérescence de la cavité. Ces questions ont fait l'objet de multiples investigations depuis l'avènement du laser, mais nous mettons toutefois en évidence que de sérieux problèmes d'interprétations d'observations expérimentales persistent dans la littérature scientifique contemporaine. Une idée fausse assez répandue stipule par exemple qu'il est possible d'exciter un mode Laguerre--Gauss ou Ince--Gauss d'ordre élevé en utilisant un faisceau de pompe suffisamment petit afin qu'il recouvre parfaitement le lobe principal du mode visé. Nous montrons analytiquement, numériquement et vérifions expérimentalement que ceci est impossible dans une situation non--dégénérée, et expliquons comment certaines observations réalisées proches d'une dégénérescence peuvent contribuer à propager cette idée erronée. Bien que le modèle que nous utilisons n'élude pas les questions importantes concernant le rôle de la dynamique temporelle dans la formation des modes transverses dans un laser, sa pertinence réside dans sa simplicité et sa capacité à reproduire de manière très satisfaisante toutes les observations expérimentales. Ainsi, toutes les observations de modes transverses qu'il est possible de réaliser dans un laser peuvent être comprises à travers ce modèle, qui ne nécessite comme ingrédients principaux qu'une cavité, un gain saturé, des effets thermiques et éventuellement des effets de diaphragme. De plus, le modèle simple que nous présentons peut s'étendre sans difficulté à l'étude de cavités instables ou de cavités à miroirs asphériques qui offrent des possibilités nouvelles pour l'excitation de modes transverses originaux. / The main concern of this thesis is the selection of stationary transverse structures in lasers. Throughout the manuscript, we get involved into describing the observations that can be realized in a longitudinally pumped solid--state laser, from both experimental and numerical perspectives using Fox--Li simulations. We explore in detail, on the one hand, the particular behavior of non--degenerate cavities in various pumping situations, and on the other hand the exact and partial degeneracy situations. We also investigate the very influential role played by thermal effects concerning the formation of transverse structures in degeneracy regions, although this study is limited to a more qualitative description. These problems have been of great interest since the early development of laser, however we show in this manuscript that the contemporary scientific litterature still suffers from misinterpretations concerning experimental observations of transverse modes that can occur in lasers. For instance, there still remains the widespread belief that it is possible to excite a high-order Laguerre--Gaussian or Ince--Gaussian mode by strongly focusing the pump beam inside the active medium so that it matches the principal lobe of the targeted mode. We demonstrate analytically, numerically and experimentally that this idea is unfounded and show how some experiments that occur near a cavity degeneracy are misleading and can contribute to spread this misconception. Even if the model we use is unable to deal with some very significant issues concerning the mode formation in the time domain and the build--up of the laser oscillation, we believe that its strength lies into its simplicity and its ability to reproduce every experimental observation in a very accurate way. Hence, we managed to explain and interpret all the experimental observations we have realized given a very few assumptions including the presence of a cavity, a saturated gain, thermal effects and eventually diaphragm effects. Moreover, the simple model that we present can be extended without any difficulty to the case of unstable resonators, or to resonators built from graded--phase mirrors which offer new possibilities towards the excitation of original transverse modes.

L’auto-doublage de fréquence dans des cristaux optiques non linéaires dopés avec des ions ytterbium est actuellement le meilleur moyen d’obtenir une émission efficace dans le vert, tout en garantissant une bonne compacité, un faisceau faiblement divergent et une bonne monochromaticité. Deux nouvelles matrices ont été étudiées en ce sens : BaCaBO3F un oxyfluorure à fusion congruente, et LaxGd1-xSc3(BO3)4 un membre de la famille des huntites à fusion non congruente mais pouvant être obtenu par la méthode Czochralski. Après l’étude des conditions de synthèse et de croissance, les propriétés optiques de l’ion ytterbium dans ces matrices ont été caractérisées, et l’effet laser en régime continu autour de 1µm a été démontré pour la première fois. Pour améliorer les performances d’auto-doublage de fréquence dans des cristaux de YCa4O(BO3)3:Yb, deux pistes ont été envisagées : stabiliser l’émission laser infra-rouge en travaillant sur la cavité résonnante (traitement de surface des optiques), et améliorer le rendement de conversion de Génération de Seconde Harmonique de type I en effectuant le premier suivi expérimental de la courbe d’accord de phase hors des plans principaux à 1064nm. / Self-frequency-doubling in nonlinear optical crystals doped with ytterbium ions is actually the best way to combine both efficient emission in the green region, low divergent beams and good monochomaticity. Two new compounds have therefore been studied: BaCaBO3F a congruent melting oxyfluoride and LaxGd1-xSc3(BO3)3 a huntite-type crystal with incongruent melting that can however be obtained by the Czochralski method. We first studied the synthesis and growth conditions, and then the optical properties of the ytterbium doped crystals. Laser effect in continuous wave operation mode was demonstrated for the first time. In order to improve the self-frequency-doubling performances of the Yb:YCa4O(BO3)3 crystals, we focused on both stabilizing the 1µm laser emission (special anti-reflection coatings) and on maximizing the type I Second Harmonic Generation process at 1064nm (first direct measurements of both the conversion efficiency and the phase-matching directions out of the principal planes).

Ce mémoire concerne l'étude de systèmes laser utilisant le cristal de cr3+:lisaf comme milieu amplificateur. Ce dernier posséde une large bande d'émission entre 800 et 1000 nm, ainsi qu'une large bande d'absorption entre 600 et 700 nm. Depuis 1993, des diodes laser de puissance sont disponibles a ces longueurs d'onde (670 nm). Malgre leurs mauvaises qualites spatiales, il est possible, en choisissant correctement les systèmes optiques, de realiser un pompage efficace de ce cristal. Nous avons développé des oscillateurs cr3+:lisaf pompes par diodes et délivrant quelques centaines de mw en regime continu, entre 800 et 900 nm. Nous avons teste differentes configurations de pompage et de cavite, et recueilli des informations sur ce cristal, en particulier sur son efficacite comme materiau laser. Les résultats étant satisfaisants, nous avons teste le fonctionnement de ce laser pour deux régimes impulsionnels différents. Le premier oscillateur impulsionnel réalise nous a permis d'obtenir des impulsions de quelques dizaines de picosecondes, limitées par la transformée de fourier et accordables sur 100 nm. Ces impulsions sont produites par blocage de modes actif a l'aide d'un modulateur acousto-optique. Le deuxieme oscillateur realise, nous a permis d'obtenir des impulsions femtosecondes en utilisant l'effet kerr optique. Ainsi nous avons obtenu des impulsions de 50 fs pour une puissance moyenne de 40 mw. Les caracteristiques obtenues placent cet oscillateur parmi les premiers sur la scene internationale. Les energies produites par ces oscillateurs etant faibles, il est necessaire d'utiliser un amplificateur. Pour optimiser les performances de ce dernier, nous avons développé une simulation theorique permettant de calculer le gain disponible dans le laser, en tenant compte de facteurs limitant tels que l'upconversion ou les effets de l'échauffement du cristal (quenching). Cette modelisation, permet d'evaluer l'influence de divers paramètres, et en particulier du pompage, sur le gain. Sa validite a ete confirme par la realisation d'un oscillateur déclenche délivrant quelques j.

Le remplacement des lasers à colorant émettant dans la gamme 550-570 nm, à l'aide de lasers solides, représente un véritable enjeu industriel. Les applications sont multiples tant dans le domaine de la recherche biomédicale que dans celui de la métrologie. Quelques solutions ont été développées à 561 nm et à 553 nm. Néanmoins, elles ne permettent pas de fournir des lasers intégrables parfaitement mono-fréquences émettant en continu un faisceau gaussien, d'une puissance supérieure ou égale à 200 mW. Dans ces travaux, nous proposons une étude théorique et expérimentale de cavités lasers solides monolithiques à base de Nd:YAG pompé par diode, doublé en fréquence en intra-cavité, à l'aide d'un cristal non-linéaire de KTP. Ces cavités, constituées de plusieurs cristaux, sont contactées par adhérence moléculaire. Elles ne contiennent aucune optique de mise en forme des faisceaux et présentent la particularité de comporter un double filtre de Lyot. Nous présentons les résultats obtenus avec des cavités émettant à 561 nm pour des puissances supérieures ou égales à 300 mW. Puis, après une étude statistique et une analyse des résultats de test de ces cavités à long terme (> 6000 heures), nous discutons des problèmes éventuels de fiabilité et nous suggérons des axes d'amélioration. Ayant réussi à faire osciller, pour la première fois, la raie à 1106 nm du Nd:YAG, nous montrons ensuite la faisabilité d'un laser compact mono-fréquence continu à 553 nm, émettant une puissance de 200 mW à 500 mW avec un rendement de conversion pompe/laser visible de l'ordre de 19 %. Pour conclure, nous montrons qu'il est possible, dans des cavités de ce type, de faire osciller des raies Raman issues des raies fondamentales et de les doubler en fréquence en intra-cavité. Nous ouvrons ainsi la porte à toute une famille de lasers solides émettant dans la gamme 540-600 nm. / Replacement of dye lasers emitting in the range 550-570 nm, using solid state lasers, is a real industrial issue. There are many applications both in the field of biomedical research than in metrology. Some solutions have been developed for 561 nm and 553 nm. However, they do not provide fully integrated lasers emitting single-frequency continuous Gaussian beam with a power equal or up to 200 mW. In this work, we propose a theoretical and experimental study of solid monolithic cavity lasers based on Nd:YAG diode-pumped, frequency-doubled intra-cavity, using a non-linear crystal of KTP. These cavities, consisting of several crystals, are contacted by molecular adhesion. They contain no optical layout of the beams and they have the particularity of including a double Lyot filter. We present the results obtained with those cavities emitting at 561 nm for powers greater than 300 mW. Then, after a statistical study and analysis of test results of these cavities in the long term (> 6000 hours), we discuss about the potential problems of reliability and we suggest areas for improvement. For the first time, we show that the line at 1106 nm of the Nd: YAG can oscillate in this type of cavity. Then we demonstrate the feasibility of a compact single-frequency laser at 553 nm continuously, emitting a power of 200 mW to 500 mW with a conversion efficiency of pump / visible laser of about 19%. Finally, we show that it is possible, in cavities of this type, to oscillate the Raman lines from the lines of the fundamental and doubled frequency in intra-cavity. We open the door to a whole family of solid state lasers emitting in the range of 540-600 nm.

Le traitement de l'information quantique, en particulier celui utilisant les centres colorés du diamant et la manipulation cohérente des ions de terre rare incorporés dans des matrices solides (Pr3+, Eu3+) et la spectroscopie à ultra-haute résolution, nécessitent des sources accordables ayant une faible largeur de raie. Or, dans la gamme rouge-orange (570-635 nm) où les diodes lasers font défaut et les lasers solides restent très peu développés, les lasers à colorants sont actuellement les seules sources de rayonnement cohérent disponibles. En revanche, ce type de laser est assez complexe et difficile à stabiliser au niveau du kHz à cause des bruits à haute fréquence générés par le jet de colorant.Pour répondre aux besoins des expériences citées ci-dessus, cette thèse vise à proposer une alternative "tout solide" aux lasers à colorants en explorant différentes possibilités pour la construction d'une source stable émettant dans l'orange-rouge. Dans ce but, nous avons proposé deux solutions:1. La première consiste à développer des oscillateurs paramétriques optiques. Dans cette voie, nous avons développé un OPO simplement résonant à doublage de fréquence intra-cavité et stabilisé en frequence au niveau du kHz.2. La deuxième consiste en un laser à base de fluorures dopés au Pr3+pompé par diode.