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.

Leur grande efficacité et leur directivité font des lasers des sources optiques extrêmement dangereuses pour l' oeil humain. Cependant il existe une bande spectrale s'étendant de 1,5 à 1,55 µm où le seuil d'endommagement de l'oeil est plus élevé et où les risques encourus sont moins importants. Cette bande spectrale est dite à " sécurité oculaire ". Un laser solide pompé par diode laser émettant dans cette bande spectrale doit trouver de nombreuses applications dans les domaines de la détection d' obstacles et de la télémétrie. Ce travail a donc pour objectif d' étudier théoriquement et de valider expérimentalement un tel laser à sécurité oculaire pompé par diode laser de puissance fondé sur l'utilisation d'un verre codopé erbium et ytterbium. Ce laser fonctionne en régime continu et déclenché mécaniquement. En régime continu une puissance de 100 mW avec un faisceau gaussien parfait a été obtenue pour une puissance de pompe absorbée de 650 mW. En régime déclenché par insertion dans la cavité d'un disque tournant, nous avons obtenu une puissance crête de 120W sur une impulsion de 35 ns de largeur à mi-hauteur et en régime déclenché par insertion d'un diapason dans la cavité, nous avons obtenu une puissance crête de 50 W sur une impulsion de 60 ns de largeur à mi-hauteur. Les résultats intéressants obtenus en régime déclenché nous ont permis de réaliser un télémètre à sécurité oculaire.

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.

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).

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).