Facilement excitable au moyen de diode InGaAs, l'ion Ytterbium trivalent présenteune émission infrarouge intéressante pour des applications laser. Les matériaux étudiés sontnombreux. Parmi eux, les borates sont des composés stables, transparents dans l'UV et présentant un seuil élevé au dommage. Ils sont par conséquent des bons candidats pour desapplications optiques. D'un point de vue structural, ils présentent une diversité de sitesd'accueil pour la terre rare ce qui permet de moduler les émissions obtenues en fonction de lacomposition.Nous avons mené une étude d'élaboration et de caractérisation sur un borate (à fusioncongruente) et deux oxyborates (à fusion non congruente) de composition : Li6Ln(BO3)3 ;LiGd6O5(BO3)3 ; Na3La9O3(BO3)8.Les différentes croissances cristallines, par la méthode Czochralski ou par la méthodedu flux, nous ont permis d'obtenir des cristaux de taille centimétrique comportant de largeszones transparentes, utiles pour les tests en cavité laser. L'étude spectroscopique de l'ionytterbium nous a permis d'évaluer l'éclatement des niveaux d'énergie et de localiser les ionsterres rares dans ces matrices. Différentes caractérisations thermiques, mécaniques et optiquesont aussi été réalisées sur les cristaux afin de pouvoir estimer les paramètres laser.Finalement, de premiers tests lasers ont été réalisés et ont montré la potentialité de cesmatériaux en tant que matériaux amplificateurs.

Facilement excitable au moyen de diode InGaAs, l’ion Ytterbium trivalent présenteune émission infrarouge intéressante pour des applications laser. Les matériaux étudiés sontnombreux. Parmi eux, les borates sont des composés stables, transparents dans l’UV et présentant un seuil élevé au dommage. Ils sont par conséquent des bons candidats pour desapplications optiques. D’un point de vue structural, ils présentent une diversité de sitesd’accueil pour la terre rare ce qui permet de moduler les émissions obtenues en fonction de lacomposition.Nous avons mené une étude d’élaboration et de caractérisation sur un borate (à fusioncongruente) et deux oxyborates (à fusion non congruente) de composition : Li6Ln(BO3)3 ;LiGd6O5(BO3)3 ; Na3La9O3(BO3)8.Les différentes croissances cristallines, par la méthode Czochralski ou par la méthodedu flux, nous ont permis d’obtenir des cristaux de taille centimétrique comportant de largeszones transparentes, utiles pour les tests en cavité laser. L’étude spectroscopique de l’ionytterbium nous a permis d’évaluer l’éclatement des niveaux d’énergie et de localiser les ionsterres rares dans ces matrices. Différentes caractérisations thermiques, mécaniques et optiquesont aussi été réalisées sur les cristaux afin de pouvoir estimer les paramètres laser.Finalement, de premiers tests lasers ont été réalisés et ont montré la potentialité de cesmatériaux en tant que matériaux amplificateurs. / By the mean of InGaAs diode, trivalent ytterbium ions can give rise to an interestinginfrared emission for laser applications. Numerous compounds are in study. Among them,borates are stable, UV-transparent compounds and they have a high damage threshold. Thusthey are good candidates for optical applications. From a structural point of view, they exhibita diversity of host sites for the rare earth which allows to modulate emission withcomposition.We carry out an elaboration and characterization study on a borate and two oxyboratecompounds of formula Li6Ln(BO3)3 ; LiGd6O5(BO3)3 ; Na3La9O3(BO3)8.Crystal growth, by Czochralski or flux method depending on the meltingcharacteristic, enable us to obtain centimetric sized crystals with large transparent areas.Ytterbium ion spectroscopy study enables us to estimate energy levels splitting and to locaterare earth ions in these matrices. Several thermal, mechanical and optical characterizations were also performed on the crystals to estimate laser parameters. Finally, first laser tests werecarried out and have shown the potentiality of these materials as amplifier media.

Les variations de l'indice de réfraction d'origine électronique, proportionnelles au nombre d'ions actifs du matériau laser portés dans leur état excité et à la variation de polarisabilité entre le niveau excité et le niveau fondamental, peuvent avoir un impact considérable sur les propriétés spatio-temporelles des résonateurs laser. Il est ainsi nécessaire de disposer de méthodes sensibles afin de les évaluer. Ce travail de thèse est donc centré autour de la métrologie de ces effets dits " de population ", afin d'être en mesure de mieux appréhender le comportement des lasers à solide voire d'être capable d'utiliser ces effets pseudo-nonlinéaires pour diverses applications. La première partie de cette thèse consiste donc à quantifier les effets de population dans des cristaux laser dopés Chrome et Ytterbium à l'aide de la technique Z-scan. Dans cette optique, nous avons donc mis en place en expérience résolue en temps afin de nous affranchir des effets thermiques, phénomène inhérent à tout processus de pompage optique. Nous avons par la suite mis au point une technique originale, appelée Baryscan, permettant de mesurer de très faibles variations d'indice et d'atteindre une sensibilité parmi les plus grande rencontrée à ce jour. Cette technique est basée sur l'utilisation d'un Position Sensitive Detector (PSD) et les propriétés non-linéaires des cristaux sont déduites de l'évolution du barycentre du faisceau laser pompe-sonde. Nous présentons de plus des résultats concernant la focalisant diffractive de faisceaux laser à l'aide d'optiques de phase ainsi que des techniques de mise en forme permettant de forcer une cavité laser à osciller sur le mode transverse souhaité.

Ce travail a comme but l'étude de nouveaux cristaux dopés à l'ion ytterbium, pour le développement de lasers efficaces (et éventuellement accordables) émettant vers 1 µm. La première partie traite des performances laser en pompage par diode de forte puissance (10-15 W) de nouveaux cristaux : l'Yb:GGG, l'Yb:GdCOB, l'Yb:BOYS (et l'Yb:CaBOYS), l'Yb:SYS et l'Yb:YSO. L'efficacité, l'accordabilité, et le comportement thermique de ces matériaux est discutée, et illustrée, lorsque cela est pertinent, par une comparaison entre matériaux voisins. Les effets thermiques limitent la montée en puissance dans la plupart de ces nouveaux matériaux : leur étude détaillée fait l'objet de la seconde partie. Nous commençons par une synthèse théorique sur les effets thermiques et thermomécaniques dans les lasers solides. Après une description des différentes méthodes expérimentales d'investigation des effets thermiques, nous décrivons le banc de mesure que nous avons mis en place. Il est basé sur un analyseur de front d'onde de Shack-Hartmann, et il permet la mesure des lentilles thermiques (et de leurs aberrations) dans des configurations de pompage longitudinal, en présence (ou non) d'effet laser. Nous décrivons les caractéristiques et les limitations de cet outil en détail. Des mesures de lentilles thermiques sont ensuite rapportées, pour la première fois, dans des matériaux dopés à l'ytterbium. Nous avons mis en évidence d'importants effets non radiatifs qui contribuent à la charge thermique, contrairement à ce qui est généralement admis. Nous détaillons alors comment, avec un modèle analytique simple, on peut déduire de ces mesures le rendement quantique et le coefficient thermo-optique des matériaux considérés. Nous avons également mis en évidence expérimentalement l'influence de la longueur d'onde laser sur la charge thermique, la réduction des effets thermiques dans des cristaux composites, ou encore la contribution significative de l'effet photoélastique à la lentille thermique dans l'Yb:GdCOB.

Les travaux exposés dans ce mémoire concernent le développement de lasers femtoseconde entièrement pompés par diodes, utilisant de nouveaux cristaux laser dopés à l'ytterbium, et émettant à une longueur d'onde proche de 1,06 µm. Nous étudions plus particulièrement deux cristaux récemment découverts : l'Yb3+: BOYS (ou Yb3+: Sr3Y(BO3)3) et l'Yb3+: SYS (ou Yb3+: SrY4(SiO4)3O), dont les propriétés cristallographiques, physiques et spectroscopiques sont particulièrement adaptées à la production et à l'amplification d'impulsions brèves (de durées typiques allant de 10-14 à 10-12 s). Dans un premier temps, nous avons réalisé deux oscillateurs femtoseconde basés respectivement sur l'Yb3+: BOYS et l'Yb3+: SYS, qui ont permis de produire des impulsions de durées respectives égales à 69 fs et 94 fs avec une énergie par impulsion de l'ordre du nanojoule, et à une cadence avoisinant la centaine de mégahertz. Le régime impulsionnel a été obtenu par verrouillage de modes passif, dont le démarrage automatique et l'excellente stabilité ont été assurés par un miroir absorbant saturable à semi-conducteur. Dans un deuxième temps, afin d'augmenter l'énergie de ces impulsions, nous avons développé un amplificateur régénératif basé sur l'Yb3+: SYS. Placé en aval d'un oscillateur femtoseconde Yb3+: SYS, cet amplificateur nous a conduit à la production d'impulsions d'une durée de 380 fs, ayant une énergie de 80 µJ, à une cadence de 1 kHz. Enfin, nous avons utilisé un filtre acousto-optique programmable pour modeler l'amplitude spectrale des impulsions qui sont issues de l'oscillateur femtoseconde puis injectées dans l'amplificateur régénératif. Ces expérimentations nous ont ouvert de nouvelles perspectives en validant un modèle théorique (qui a donné lieu à des simulations numériques réalistes de l'amplificateur régénératif), et en améliorant les performances de notre chaîne laser femtoseconde basée sur l'Yb3+: SYS de sorte que des impulsions d'une durée inférieure à 300 fs devrait être produites.