Ce travail concerne l'étude des matériaux cristallins dopés à l'ytterbium pour la génération de faisceaux laser de puissance. Deux approches destinées à limiter l'échauffement des cristaux sous flux intense sont décrites dans ce mémoire. En premier lieu, nous procédons à une revue des spécificités des matériaux laser à l'ytterbium et définissons un facteur de mérite permettant l'évaluation simultanée de leurs propriétés laser, thermomécaniques et thermo-optiques. S'appuyant sur cette analyse pour optimiser la recherche de nouveaux matériaux laser à l'ytterbium adaptés aux applications de puissance, nous proposons différentes relations structure-propriétés permettant de prévoir les potentialités thermomécaniques d'une matrice hôte à partir de sa structure cristallographique et de sa composition chimique. Considérant l'influence du dopage en ytterbium sur la conductivité thermique des matériaux, nous montrons, par exemple, que les oxydes simples à base de te rres rares sont favorables pour de telles applications. A ce titre, les propriétés spectroscopiques de six nouveaux matériaux GdVO4 :Yb3+, GdAlO3:Yb3+, Gd2O3:Yb3+, Sc2SiO5:Yb3+, CaSc2O4:Yb3+ et SrSc2O4:Yb3+ sont étudiées. La deuxième démarche proposée, concerne l'amélioration des propriétés thermiques et mécaniques de cristaux laser existants. Dans cette approche, on envisage deux solutions: le soudage par diffusion de cristaux non dopés aux extrémités du cristal laser (cristaux composites) et le renforcement d'une structure cristalline par substitution ionique d'un de ses constituants. Ainsi, différents assemblages de cristaux ont été obtenus et ont permis d'observer une réduction significative de l'effet de lentille thermique dans les cristaux laser en fonctionnement. D'autre part, nous avons amélioré, par le biais d'une substitution cationique, les conditions de croissance cristalline du BOYS :Yb3+, un matériau laser accordable de grand intérêt dans la production d'impulsions femtosecondes.

Dans les lasers, les gradients de température dans les milieux à gain provoquent des déformations de l'onde laser qui s'y propage. Le but de ma thèse est de mesurer les propriétés thermo-optiques (conductivité thermique, coefficient thermo-optique dn/dT, coefficient de dilatation) de nouveaux matériaux lasers permettant d'atteindre des énergies élevées à de hautes cadences de tir. Ces matériaux sont des céramiques sesquioxydes de scandium Sc2O3, de lutétium Lu2O3 et d'yttrium Y2O3 dopées ytterbium. Les mesures se font à basse température (température de l'azote liquide, 77 K) car les propriétés thermiques sont améliorées lorsque la température du matériau diminue. Ces matériaux ont également été testés en configuration d'oscillateur laser relaxé, montrant ainsi tout l'intérêt de travailler à basse température. Les mesures de ces propriétés représentent un enjeu majeur pour le développement des lasers de forte puissance, d'autant plus que les données de la littérature concernant ces matériaux, dans ces domaines de température, sont quasiment inexistantes. D'autres matériaux comme des cristaux et des céramiques de YAG, des cristaux de fluorure de calcium CaF2 dopés ytterbium, et des verres phosphates dopés néodyme ont également été testés.

Fiber lasers represent the state-of-the-art in laser technology and hold great promise for a wide range of applications because they have a minimum of exposed optical interfaces, very high efficiency, and are capable of exceptional beam quality. In the near future, the most important markets such as micromachining, automotive, biomedical and military applications will begin to use this technology. The scope of this thesis is to design and develop a short picosecond pulsed fiber laser using rare-earth doped fiber as a gain medium. The proposed master oscillator power amplifier (MOPA) will be used to generate pulses with high repetition rates. In this study, first we explain the basic theoretical background of nonlinear optics and fiber laser. Then, the numerical simulation will be introduced to explain how the laser system design and optimization. The simulation is based on nonlinear Schr&ouml / dinger equation with the method of split-step evaluation. The brief theoretical background and simulation results of the laser system will be shown. Finally, the experimental study of the developmental fiber laser system that comprises an oscillator, preamplifier and power amplifier will be discussed.

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Pažangių medžiagų bei technologijų kūrimas ir taikymas - tai labai svarbus šiandieninės informacinės visuomenės uždavinys. Granato kristalinės struktūros medžiagos, pasižymėdamos ypatingomis fizikinėmis bei cheminėmis savybėmis, yra plačiai naudojamos informacinių technologijų, kietafazių lazerių, optikos įrenginių gamybose, medicinos įrangose, bei daugelyje kitų sričių. Todėl jos dėl savo unikalių savybių ir plačiai tebetyrinėjamos iki šiol. Šiame darbe pirmą kartą buvo susintetinti Ce-Al-O, Pr-Al-O, Nd-Al-O, Tb-Al-O, Dy-Al-O, Ho-Al-O, Er-Al-O, Tm-Al-O, Yb-Al-O, Lu-Al-O, Y(Nd)-Al-O ir Y(Sm)-Al-O acetatiniai-nitratiniai-glikoliatiniai geliai zolių-gelių metodu vandeniniuose tirpaluose. Jie buvo panaudoti pradinėmis medžiagomis atitinkamų lantanoidų aliuminio granatų sintezei. Vienfaziai terbio aliuminio granatas (Tb3Al5O12), disprozio aliuminio granatas (Dy3Al5O12), holmio aliuminio granatas (Ho3Al5O12), erbio aliuminio granatas (Er3Al5O12), tulio aliuminio granatas (Tm3Al5O12), iterbio aliuminio granatas (Yb3Al5O12) ir liutecio aliuminio granatas (Lu3Al5O12) buvo gauti, terbio jonų šaltiniu naudojant terbio oksidą, disprozio – disprozio oksidą, holmio – holmio oksidą, erbio – erbio oksidą, tulio – tulio oksidą, iterbio – iterbio oksidą, lutecio – liutecio oksidą, kompleksus sudarančiu reagentu 1,2-etandiolį. Tyrimų rezultatai parodė, kad šių lantanoidų aliuminio granatai gauti santykinai žemoje temperatūroje (1000°C). Zolių-gelių metodu sintetinant cerio aliuminio granatą... [toliau žr. visą tekstą] / The development and application of advanced materials is a very important task of today's information society. Garnet crystal structure compounds because of their specific physical and chemical properties are widely used in information technology, manufacturing of solid-state lasers and optical equipments, medical equipments and many other areas. Therefore, these materials because of their unique properties and characteristics are of high interest so far. For the first time Ce-Al-O, Pr-Al-O, Nd-Al-O, Tb-Al-O, Dy-Al-O, Ho-Al-O, Er-Al-O, Tm-Al-O, Yb-Al-O, Lu-Al-O, Y(Nd)-Al-O and Y(Sm)-Al-O acetate-nitrate-glycolate gels have been synthesized using environmentally friendly, economical and simple aqueous sol-gel method. They were used as starting materials for the synthesis of appropriate lanthanide aluminium garnets. The results of X-ray difraction analysis have indicated that single-phase terbium aluminium garnet (Tb3Al5O12), dysprosium aluminium garnet (Dy3Al5O12), holmium aluminium garnet (Ho3Al5O12), erbium aluminium garnet (Er3Al5O12), thulium aluminium garnet (Tm3Al5O12), ytterbium aluminium garnet (Yb3Al5O12) and lutetium aluminium garnet (Lu3Al5O12) have been synthesized by annealing Tb-Al-O, Dy-Al-O, Ho-Al-O, Er-Al-O, Tm-Al-O, Yb-Al-O and Lu-Al-O precursor gels for 10 hours at 1000 °C, respectively. For the first time these garnet structure compounds were synthesized using sol-gel method. Moreover, these lanthanide aluminium garnets were synthesized at relatively low... [to full text]

The development and application of advanced materials is a very important task of today's information society. Garnet crystal structure compounds because of their specific physical and chemical properties are widely used in information technology, manufacturing of solid-state lasers and optical equipments, medical equipments and many other areas. Therefore, these materials because of their unique properties and characteristics are of high interest so far. For the first time Ce-Al-O, Pr-Al-O, Nd-Al-O, Tb-Al-O, Dy-Al-O, Ho-Al-O, Er-Al-O, Tm-Al-O, Yb-Al-O, Lu-Al-O, Y(Nd)-Al-O and Y(Sm)-Al-O acetate-nitrate-glycolate gels have been synthesized using environmentally friendly, economical and simple aqueous sol-gel method. They were used as starting materials for the synthesis of appropriate lanthanide aluminium garnets. The results of X-ray difraction analysis have indicated that single-phase terbium aluminium garnet (Tb3Al5O12), dysprosium aluminium garnet (Dy3Al5O12), holmium aluminium garnet (Ho3Al5O12), erbium aluminium garnet (Er3Al5O12), thulium aluminium garnet (Tm3Al5O12), ytterbium aluminium garnet (Yb3Al5O12) and lutetium aluminium garnet (Lu3Al5O12) have been synthesized by annealing Tb-Al-O, Dy-Al-O, Ho-Al-O, Er-Al-O, Tm-Al-O, Yb-Al-O and Lu-Al-O precursor gels for 10 hours at 1000 °C, respectively. For the first time these garnet structure compounds were synthesized using sol-gel method. Moreover, these lanthanide aluminium garnets were synthesized at relatively low... [to full text] / Pažangių medžiagų bei technologijų kūrimas ir taikymas - tai labai svarbus šiandieninės informacinės visuomenės uždavinys. Granato kristalinės struktūros medžiagos, pasižymėdamos ypatingomis fizikinėmis bei cheminėmis savybėmis, yra plačiai naudojamos informacinių technologijų, kietafazių lazerių, optikos įrenginių gamybose, medicinos įrangose, bei daugelyje kitų sričių. Todėl jos dėl savo unikalių savybių ir plačiai tebetyrinėjamos iki šiol. Šiame darbe pirmą kartą buvo susintetinti Ce-Al-O, Pr-Al-O, Nd-Al-O, Tb-Al-O, Dy-Al-O, Ho-Al-O, Er-Al-O, Tm-Al-O, Yb-Al-O, Lu-Al-O, Y(Nd)-Al-O ir Y(Sm)-Al-O acetatiniai-nitratiniai-glikoliatiniai geliai zolių-gelių metodu vandeniniuose tirpaluose. Jie buvo panaudoti pradinėmis medžiagomis atitinkamų lantanoidų aliuminio granatų sintezei. Vienfaziai terbio aliuminio granatas (Tb3Al5O12), disprozio aliuminio granatas (Dy3Al5O12), holmio aliuminio granatas (Ho3Al5O12), erbio aliuminio granatas (Er3Al5O12), tulio aliuminio granatas (Tm3Al5O12), iterbio aliuminio granatas (Yb3Al5O12) ir liutecio aliuminio granatas (Lu3Al5O12) buvo gauti, terbio jonų šaltiniu naudojant terbio oksidą, disprozio – disprozio oksidą, holmio – holmio oksidą, erbio – erbio oksidą, tulio – tulio oksidą, iterbio – iterbio oksidą, lutecio – liutecio oksidą, kompleksus sudarančiu reagentu 1,2-etandiolį. Tyrimų rezultatai parodė, kad šių lantanoidų aliuminio granatai gauti santykinai žemoje temperatūroje (1000°C). Zolių-gelių metodu sintetinant cerio aliuminio granatą... [toliau žr. visą tekstą]

Le cadre général de cette thèse est l'étude de nouvelles sources laser de forte luminance pour le pompage des amplificateurs, à fibre dopée erbium (EDFA), en particulier dans le domaine des télécommunications. Actuellement, les EDFA sont pompés par des diodes laser monomodes spatiales émettant à 980 nm une puissance maximale continue d'environ 300 mW sur une surface émettrice de 1 mM par 3 mM. Les diodes laser de plus forte puissance ont une surface émettrice plus large, typiquement 1 mM sur 100 à 200 mM. Il en résulte une dégradation de la qualité spatiale du faisceau dans le plan parallèle à la fonction de la diode. Dans cette direction, le faisceau est 10 à 20 fois limité par la diffraction, ce qui est un problème pour les applications qui nécessitent une forte densité de puissance sur une petite surface (comme par exemple le pompage des EDFA ou le pompage longitudinal des lasers solides). L'enjeu est de disposer d'une source laser monomode spatiale délivrant une puissance continue de l'ordre du watt à 980 nm. Lors de cette thèse, nous avons étudié deux voies. La première solution consiste à améliorer la qualité spatiale d'un faisceau de diode laser en effectuant un filtrage angulaire du faisceau. La technique utilisée est la mise en cavité externe d'une diode laser de puissance. Le filtrage angulaire est réalisé par un réseau de Bragg que nous avons conçu. La seconde solution pour obtenir une émission vers 980 nm dans un faisceau monomode spatial est d'utiliser le faisceau fortement multimode d'une diode laser de puissance pour pomper un cristal massif. Les cristaux dopés avec des ions ytterbium sont intéressants car ils peuvent présenter une raie d'émission vers 980 nm. Le problème est qu'il s'agit alors d'une vraie transition laser à 3 niveaux. Nous avons montré que par un bon choix de la matrice d'accueil et des conditions de pompage, il est possible de réaliser un laser efficace émettant vers 980 nm en pompage continu.

De nouveaux matériaux lasers solides dopés terres rares et pompés par diode émettant soit à 1 µm (dopage Yb) pour les applications laser de puissance et femtosecondes, soit à 1,55 µm (codopage Er, Yb) pour la zone de sécurité oculaire ont été étudiés. Le premier volet étudie deux types de défauts récurrents (centres colorés et diffusants) dans la matrice CaGdAlO4:Yb. Les différentes stoechiométries et les paramètres de croissance testés ne permettent pas d'éliminer les centres diffusants. Par contre, une substitution Ca2+-Sr2+ les supprime mais induit d'autres défauts sous forme de bulles.Les centres colorés sont attribués à des polarons O-, hypothèse confirmée par la modélisation des bandes d'absorption. L'influence d'un codopage de la matrice par un ion tétravalent en substitution de l'ion Al3+ tend à montrer un effet bénéfique sur la diminution des centres colorés. Le second volet concerne la recherche de matrices cristallines dopées Er3+, Yb3+. Une étude en composition permet de sélectionner les taux de dopage optimaux dans les matrices Ca2Al2SiO7, SrGdGa3O7, Y2SiO5, CaGdAlO4. Des croissances de monocristaux sont effectuées par le procédé Czochralski leurs propriétés spectroscopiques, thermiques et laser sont évaluées. En régime continu, les cristaux de CAS génèrent des puissances laser d'environ 200-300 mW à 1555 nm tandis qu'en régime déclenché, des pulses d'énergie de 1,4 mJ et 40 ns sont obtenus pour la première fois. A performances équivalentes, le CAS présente une résistance au pompage incident bien supérieure à celle du verre phosphate commercial, ce qui en fait une alternative possible.

Submitted by FRANCINE BETTIO COSTA null (franbettiocosta@gmail.com) on 2016-06-24T00:23:52Z No. of bitstreams: 1 Francine Bettio Costa - Tese de Doutorado.pdf: 2483860 bytes, checksum: 50a1ed14dcf31cd79adfc9cd65def751 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br) on 2016-06-28T14:49:20Z (GMT) No. of bitstreams: 1 costa_fb_dr_ilha.pdf: 2483860 bytes, checksum: 50a1ed14dcf31cd79adfc9cd65def751 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-06-28T14:49:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 costa_fb_dr_ilha.pdf: 2483860 bytes, checksum: 50a1ed14dcf31cd79adfc9cd65def751 (MD5) Previous issue date: 2016-03-22 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Pró-Reitoria de Pós-Graduação (PROPG UNESP) / A busca por novas fontes renováveis de energia tem se tornado de grande apelo devido à necessidade de se reduzir os impactos ambientais. Esse interesse tem motivado a pesquisa e o desenvolvimento de células fotovoltaicas (CFs) mais eficientes e baratas. Assim, a energia solar fotovoltaica tem sido uma opção para se complementar e ampliar a geração de eletricidade. Entretanto, as células de silício cristalino (Si-c) disponíveis no mercado apresentam baixa eficiência de conversão da radiação luminosa em energia elétrica devida, principalmente, às perdas por incompatibilidade espectral entre as regiões de máxima emissão solar (região do visível - Vis) e de máxima eficiência fotovoltaica da célula de Si-c (região do infravermelho - IV). Para minimizar essas perdas e, consequentemente, melhorar a eficiência da CF, conversores descendentes de energia compostos por íons terras-raras são usados na conversão de fótons de alta energia (Vis) em fótons de menor energia (IV). Nesse ínterim, no presente trabalho foram estudadas as propriedades espectroscópicas dos íons neodímio (Nd3+) e itérbio (Yb3+) incorporados, como dopantes, no vidro telurito-tungstênio (TW). Tais propriedades foram obtidas a partir de medidas de difração de raios-X, densidade de massa, espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier, Raman, absorção óptica, luminescência, excitação, evolução temporal da luminescência e lente térmica. Este estudo foi dividido em duas etapas. Primeiramente, vidros TW dopados com Nd3+ foram preparados em diferentes atmosferas, i.e., uma atmosfera ambiente e outra rica em O2, para investigação da influência dos grupos hidroxilas (OH) nas propriedades espectroscópicas de amostras com diferentes concentrações de Nd3+. A dependência com a concentração indicou que a transferência de energia do íon Nd3+ para o grupo OH foi desprezível e que a eficiência quântica luminescente do nível 4F3/2 diminuiu com o aumento da concentração de Nd3+. Posteriormente, vidros TW co-dopados com Nd3+ e Yb3+ foram preparados em atmosfera ambiente para investigação da correlação entre os íons Yb3+ e os mecanismos de conversão descendente de energia (CDE). Os resultados mostraram que a luminescência, oriunda do nível 4F3/2, diminuiu com o aumento da concentração de íons Yb3+. Simultaneamente, observou-se um aumento correspondente na emissão do Yb3+ e uma redução no calor gerado pela amostra. A transferência de energia Nd3+ → Yb3+ foi observada qualitativamente e a eficiência dessa transferência foi avaliada quantitativamente por valores do tempo de vida. Esses resultados indicam que o vidro TW co-dopado com íons Nd3+ e Yb3+ é um sistema com potencial para ser usado como material conversor descendente de energia aplicado sobre as células fotovoltaicas de Si-c. / The demand for new and renewable energy sources has been of great appeal due to the reduction of environmental impacts. This interest has motivated the research and the development of more efficient and less expensive photovoltaic (PV) cells. Thus, the photovoltaic solar energy has been an option to complement and expand the generation of electricity. However, commercialized crystalline silicon cells present low conversion efficiency of the light irradiation energy into electric energy, mainly due to the spectral mismatch between the regions of maximum solar emission (visible spectrum) and of maximum PV cell efficiency, which is in infrared region. To minimize such losses and, consequently, improve the efficiency of PV cell, down-converters with rare-earth ions in their structure are used to convert the high energy photons (at the visible - Vis) into low energy photons (at the infrared - IR). Meanwhile, in the present work we study the spectroscopic properties of neodymium (Nd3+) and ytterbium (Yb3+) ions incorporated as dopants in a tellurite-tungsten (TW) glass matrix. The characterization of the samples were obtained from measurements of X-ray diffraction, mass density, Fourier transform infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, optical absorption, luminescence, excitation, temporal evolution of the luminescence and thermal lens. This study was divided into two stages. Primarily, Nd3+-doped TW glasses were prepared in different atmospheres, i.e., an ambient atmosphere and in another rich in O2 to investigate the influence of the hydroxyl (OH) groups in the spectroscopic properties of samples with different concentrations of Nd3+. The results showed that the energy transfer from Nd3+ ion to the OH group was negligible. The concentration dependency indicated that the energy transference from the Nd3+ ion to the OH group was negligible. In addition, the luminescent quantum efficiency of 4F3/2 level decreased with increasing of Nd3+ concentration. Subsequently, Nd3+ and Yb3+ co-doped TW glasses were prepared in ambient atmosphere to investigate the correlation between Yb3+ ions and down-conversion (DC) mechanisms. The results showed that the luminescence of the 4F3/2 decreased as the concentration of Yb3+ was increased. Simultaneously, it was observed a corresponding increase in the emission of the Yb3+ and a reduction in the generated heat by the sample. The Nd3+ → Yb3+ energy transfer was observed qualitatively and the efficiency of such transfer was quantitatively evaluated by lifetime values. The results indicate that the co-doped TW glasses by Nd3+ and Yb3+ are systems with potential to be used as down-converter material applied to the c-Si photovoltaics cells.

Orientador: João Carlos Silos Moraes / Abstract: The demand for new and renewable energy sources has been of great appeal due to the reduction of environmental impacts. This interest has motivated the research and the development of more efficient and less expensive photovoltaic (PV) cells. Thus, the photovoltaic solar energy has been an option to complement and expand the generation of electricity. However, commercialized crystalline silicon cells present low conversion efficiency of the light irradiation energy into electric energy, mainly due to the spectral mismatch between the regions of maximum solar emission (visible spectrum) and of maximum PV cell efficiency, which is in infrared region. To minimize such losses and, consequently, improve the efficiency of PV cell, down-converters with rare-earth ions in their structure are used to convert the high energy photons (at the visible - Vis) into low energy photons (at the infrared - IR). Meanwhile, in the present work we study the spectroscopic properties of neodymium (Nd3+) and ytterbium (Yb3+) ions incorporated as dopants in a tellurite-tungsten (TW) glass matrix. The characterization of the samples were obtained from measurements of X-ray diffraction, mass density, Fourier transform infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, optical absorption, luminescence, excitation, temporal evolution of the luminescence and thermal lens. This study was divided into two stages. Primarily, Nd3+-doped TW glasses were prepared in different atmospheres, i.e., an ambient atmosphere and... (Complete abstract click electronic access below) / Resumo: A busca por novas fontes renováveis de energia tem se tornado de grande apelo devido à necessidade de se reduzir os impactos ambientais. Esse interesse tem motivado a pesquisa e o desenvolvimento de células fotovoltaicas (CFs) mais eficientes e baratas. Assim, a energia solar fotovoltaica tem sido uma opção para se complementar e ampliar a geração de eletricidade. Entretanto, as células de silício cristalino (Si-c) disponíveis no mercado apresentam baixa eficiência de conversão da radiação luminosa em energia elétrica devida, principalmente, às perdas por incompatibilidade espectral entre as regiões de máxima emissão solar (região do visível - Vis) e de máxima eficiência fotovoltaica da célula de Si-c (região do infravermelho - IV). Para minimizar essas perdas e, consequentemente, melhorar a eficiência da CF, conversores descendentes de energia compostos por íons terras-raras são usados na conversão de fótons de alta energia (Vis) em fótons de menor energia (IV). Nesse ínterim, no presente trabalho foram estudadas as propriedades espectroscópicas dos íons neodímio (Nd3+) e itérbio (Yb3+) incorporados, como dopantes, no vidro telurito-tungstênio (TW). Tais propriedades foram obtidas a partir de medidas de difração de raios-X, densidade de massa, espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier, Raman, absorção óptica, luminescência, excitação, evolução temporal da luminescência e lente térmica. Este estudo foi dividido em duas etapas. Primeiramente, vidros TW dopado... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor