Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Depuis sa démonstration expérimentale en 1995, le refroidissement de solides par effet laser s'est établi comme une solution de réfrigération remarquable. Capable de dépasser des températures cryogéniques sans générer de vibration, son utilisation dans des dispositifs optiques et électroniques suscite un grand intérêt. Les résultats actuels se basent sur l'utilisation de fluorescence anti-Stokes, essentiellement au travers de la transition $^\textup{2}\textup{F}_{7/2}\,→\,^\textup{2}\textup{F}_{5/2}$ des ions d'ytterbium (III). La génération de refroidissement s'établit lorsqu'un rendement presque unitaire sur cette fluorescence est obtenu, ce qui demande une minimisation extrême des autres voies de relaxation. Les limitations résident majoritairement dans la relaxation multiphonon et les absorptions parasitiques d'impuretés. Dans le premier cas, ce phénomène intrinsèque au matériau hôte des ions Yb$^{3+}$, est réduit par le choix de matrices à faibles énergies de phonons que l'on retrouve par l'emploi de verres et cristaux de fluorures. Dans le second, une pureté de matériau très élevée est requise, avec une attention particulière sur les métaux de transitions bivalents (Fe(II), Cu(II), Ni(II) et Co(II)) et la présence de groupements hydroxyles, qui présentent des sections d'absorptions importantes dans le domaine spectral de l'ytterbium. Les monocristaux fluorés représentent les candidats favoris, qui du fait de leur nature et procédé de synthèse arrivent à satisfaire les deux points précédents. Ils présentent en revanche certaines limitations quant à leur flexibilité de géométrie et des coûts importants de fabrication. Les travaux présentés dans ce manuscrit consistent à explorer des matériaux qui pourraient répondre à cette demande : les verres et vitrocéramiques oxyfluorés. Composés d'une partie oxyde amorphe contenant des cristaux de fluorures, ils présentent un compromis intéressant entre les excellentes propriétés mécaniques et thermiques des verres oxydés et les performances optiques des cristaux de fluorures. Issus généralement d'un verre parent, ils permettent également de conserver les méthodes de mises en forme spécifiques aux verres, avec des coûts de fabrication modérés. Dans les deux premiers chapitres, une approche conventionnelle est étudiée pour le développement d'échantillons. Une composition vitreuse oxyfluorée SiO$_2$ – Al$_2$O$_3$ – LiF – YF$_3$ – YbF$_3$ est mise à l'étude par l'exploration du domaine vitreux. Une étude paramétrique a permis de caractériser les impacts des conditions de synthèse et leurs conséquences sur les propriétés physico-chimiques et optiques des verres. Une étude de la cristallisation de la matrice, à l'aide de techniques de diffraction aux rayons X, a permis de déterminer la capacité de formation de phases d'intérêt pour le dopage à l'ytterbium. À la suite de l'obtention d'échantillons vitrocéramiques transparents, des mesures de temps de vie et d'intensité de fluorescence, ainsi que de rendement quantique soulignent le potentiel de ces matériaux à trouver applications pour de la réfrigération optique. Le second chapitre porte attention sur l'amélioration en pureté des précédentes vitrocéramiques. Les échantillons du chapitre 1 montraient des absorptions parasitiques autour de 0.180 cm$^{-1}$ / 40 dB.km$^{-1}$ pour une excitation à 1550 nm. L'obtention de refroidissement par fluorescence anti-Stokes demanderait une diminution de l'ordre de 0.03 cm$^{-1}$ / 10 dB.km$^{-1}$. Les principales causes de ces pertes ont été identifiées comme la conséquence de deux catégories d'impuretés : la présence de groupements hydroxyles et les métaux de transitions bivalents, plus spécifiquement le Fe(II), Cu(II), Ni(II) et Co(II). Le premier point a été adressé en transférant l'intégralité du procédé de synthèse en atmosphère sèche. Le second a nécessité de combiner l'utilisation de précurseurs commerciaux ultra-haute pureté et des produits de synthèse pour la composition SiO$_2$ – Al$_2$O$_3$ – LiF – YF$_3$ – YbF$_3$. À la suite de ces améliorations, une diminution des absorptions de fonds jusqu'à 0.064 cm$^{-1}$ a permis d'augmenter le rendement quantique et l'intensité de fluorescence pour une excitation anti-Stokes des vitrocéramiques. Pour une excitation à 1030 nm, une baisse importante de l'échauffement des échantillons a été observée, cependant aucun refroidissement net n'a pu être mesuré. Le troisième et dernier chapitre présente une étude de verres fabriqués par une méthode alternative de dépôt de silicates par phase vapeur. Les conditions de fabrication rendant impossible l'utilisation de fluorures (hautes températures avec des atmosphères oxydantes), une exploration de compositions vitreuses oxydes non-réalisables par fusion-trempe a été conduite. Dans ces travaux, des verres d'aluminosilicates d'yttrium fabriqués par dépôt de vapeurs chimiques modifié (MCVD) sont présentés. Les échantillons obtenus démontraient un phénomène unique de séparation de phase nanométrique. Aux suites d'une étude en microscopie électronique, les zones de ségrégation ont démontré un enrichissement en Al et Y et Yb, là où les matrices environnantes étaient majoritairement composées de silice. Les échantillons ont montré des propriétés de fluorescence supérieures à des échantillons de silice dopés Yb, ne démontrant pas cette séparation de phase. Grâce aux très hautes puretés de matériau alloué par ce mode de fabrication, du refroidissement optique a pu être mesuré sur chacun des échantillons, jusqu'à -2.4 Kelvins pour une excitation de 20W à 1030 nm, sous pression et atmosphère ambiante. / Since its experimental demonstration in 1995, laser cooling of solids has established itself as a remarkable refrigeration solution. Capable of reaching cryogenic temperatures without generating vibrations, its use in optical and electronic devices has garnered significant interest. Current breakthroughs are based on the use of anti-Stokes fluorescence, primarily through the $^\textup{2}\textup{F}_{7/2}\,→\,^\textup{2}\textup{F}_{5/2}$ transition of ytterbium (III) ions. Cooling occurs when near unity radiative efficiency is achieved, which demands extreme minimization of other relaxation pathways. The limitations mostly reside in multiphonon relaxation and parasitic absorptions of impurities. In the former case, this intrinsic phenomenon in the host material of Yb$^{3+}$ ions is reduced by selecting matrixes with low phonon energies, such as fluoride glasses and crystals. In the latter case, high material purity is required, with particular attention to divalent transition metals (Fe(II), Cu(II), Ni(II), and Co(II)), and the presence of hydroxyl groups, which exhibit significant absorption cross-sections in the ytterbium spectral domain. Fluoride single crystals are the favored candidates, which, due to their nature and synthesis process, satisfy the previous two points. However, they possess limitations in terms of geometry flexibility and significant manufacturing costs. The work presented in this manuscript aims to explore materials that could provide mouldable and cost-effective properties: oxyfluoride glasses and glass-ceramics. Comprising an amorphous oxide part containing fluoride crystals, they offer an interesting compromise between the excellent mechanical and thermal properties of oxide glasses and the optical performance of fluoride crystals. Generally derived from a parent glass, they also allow for the retention of glass-specific shaping methods, with moderate manufacturing costs. In the first two chapters, a conventional approach is studied for sample development. An oxyfluoride glass composition SiO$_2$ – Al$_2$O$_3$ – LiF – YF$_3$ – YbF$_3$ is investigated through vitreous domain exploration. A parametric study has characterized the impacts of synthesis conditions and their consequences on the physicochemical and optical properties of glasses. A study of matrix crystallization, using X-ray diffraction techniques, has determined the potential for the formation of phases of interest for ytterbium doping. Following the attainment of transparent glass-ceramic samples, measurements of fluorescence lifetime and intensity, as well as quantum yield, highlight the potential of these materials for optical refrigeration. The second chapter focuses on enhancing the purity of the previous glass-ceramics. The samples from Chapter 1 exhibited parasitic absorptions around 0.180 cm$^{-1}$/ 40 dB.km$^{-1}$ for excitation at 1550 nm. Achieving cooling through anti-Stokes fluorescence would require a reduction of approximately 0.03 cm$^{-1}$ / 10 dB.km$^{-1}$. The main causes of these losses were identified as the result of two categories of impurities: the presence of hydroxyl groups and divalent transition metals, specifically Fe(II), Cu(II), Ni(II), and Co(II). The first point was addressed by transferring the entire synthesis process in a dry atmosphere. The second required a combination of using ultra-high purity commercial precursors and synthesis products for the SiO$_2$ – Al$_2$O$_3$ – LiF – YF$_3$ – YbF$_3$ composition. Following these improvements, a decrease in background absorptions to 0.064 cm$^{-1}$ allowed for an increase in quantum yield and fluorescence intensity for anti-Stokes excitation of the glass-ceramics. For excitation at 1030 nm, a significant decrease in sample heating was observed; however, no net cooling could be measured. The third and final chapter presents a study of glasses manufactured through an alternative method of silicate deposition by vapor phase. The manufacturing conditions, which make the use of fluorides impossible (high temperatures with oxidizing atmospheres), led to an exploration of oxide glass compositions not achievable through melt-quenching. In this work, yttrium aluminosilicate glasses manufactured by modified chemical vapor deposition (MCVD) are presented. The obtained samples demonstrated a unique nanometric phase separation phenomenon. Following a study using electron microscopy, segregation zones exhibited enrichment in Al, Y, and Yb, whereas the surrounding matrices were primarily composed of silica. The samples exhibited fluorescence properties superior to Yb-doped silica samples, not showing this phase separation. Thanks to the very high material purities afforded by this fabrication method, optical cooling could be measured on each of the samples, down to -2.4 Kelvins for 20 W excitation at 1030 nm, under ambient pressure and atmosphere.

Les systèmes laser en fibre optique de verre fluoré se sont placés en tête de file pour la génération de lumière cohérente dans l’infrarouge moyen, de 2 à 5 μm. En particulier, les lasers à fibre opérant à 3 μm ont attiré une attention considérable puisqu’ils permettent le développement d’applications en spectroscopie, en contre-mesure militaire et en médecine. De ce fait, ces lasers ont connu des progrès considérables en termes de puissance, de qualité de faisceau, de fiabilité et de compacité dans la dernière décennie. Cette thèse s’inscrit dans cette démarche d’accroissement des performances des lasers à fibre infrarouges opérant à 3 μm. Ainsi, elle présente différents systèmes laser en fibre de verre fluoré et détaille les composants tout-fibre qui ont permis d’atteindre des records d’efficacité énergétique, de puissance et d’énergie par impulsion.Trois types de sources laser, chacune ayant établi un record de performance, ont été investiguées. Tout d’abord, une efficacité laser record de 50% a été obtenue à partir d’un laser à fibre opérant à 2.8 μm en utilisant le principe de cascade laser à 2.8 et 1.6 μm. Ensuite, un amplificateur à fibre, basé sur des fibres dopées à l’ion erbium et aux ions holmium et praséodyme, a permis d’amplifier des impulsions picosecondes à 3 μm d’une source laser à l’état solide pour obtenir une énergie par impulsion (122 μJ) et une puissance moyenne (2.45 W) records. Finalement, une cavité laser tout-fibre dopée à l’ion erbium opérant autour de 3 μm, dépourvue d’épissures fusionnées, a mené à la démonstration d’une puissance laser recordde 41.6 W. D’autre part, cette thèse a ciblé différents obstacles limitant l’accroissement de la puissance des lasers à fibre opérant à 3 μm, et a permis d’identifier des pistes de solutions pour pallier ces limitations. En l’occurrence, la photodégradation de l’extrémité de sortie des lasers à fibre à 3 μm, causée par la diffusion de la vapeur d’eau ambiante, limite la durée de vie et la puissance maximale de ce type de laser. Ainsi, le dernier volet de cette thèse a été consacré à l’étude expérimentale de la photodégradation d’embouts de protection à base de verre fluoré ou d’oxyde. Cette étude a mené au développement d’une nouvelle méthode permettant d’inhiber la diffusion de la vapeur d’eau dans les embouts de protection. Cette thèse représente une avancée majeure dans le contexte de l’accroissement de la puissance des sources laser en fibre optique opérant à 3 μm et démontre leur potentiel indéniable pour remplacer d’autres types de lasers dans une multitude d’applications. / Fluoride fiber laser technology is one of the noteworthy tools for generating coherent mid-infrared signal between 2 to 5 μm that has made outstanding progress over the last decade interms of compactness, reliability, high beam quality, and output power. In the mid-infrared spectral region, laser emission near 3 μm is crucial for many applications such as spectroscopy, counter measures and medicine. In addition, there has always been an increasing demand for higher laser output parameters to open new doors for potential applications.This dissertation presents a series of experimental studies of fluoride fiber laser systems, either in continuous wave or pulsed regime, and of their critical in-fiber components to achieve a laser emission with high slope efficiency, output power, and pulse energy near 3 μm. During this PhD project, three main 3 μm-class fluoride fiber laser sources, each representing at least one record output parameter in their own category, have been investigated. First, the highest optical-to-optical efficiency (50%) at 2.8 μm was achieved from a diode-pumped fiber laser cavity by cascaded transitions of 2.8 μm and 1.6 μm in a low-doped erbium fluoride fiber. Then, active media based on erbium and holmium/praseodymium zirconium fluoride fibers seeded by a sub-ns solid-state laser enabled to achieve highest pulse energy (122μJ)and average power (2.45 W) from a picosecond fiber laser amplifier operating near 3 μm. Lastly, the highest average power 3 μm-class laser (41.6 W) has been demonstrated by using asplice-less heavily erbium-doped fluoride fiber medium. The major problems during the high-power laser operation have been investigated and potential solutions were proposed. The most common problem of all the high-power 3 μm fiber laser demonstrations is the degradation of the fiber tips due to OH migration, which limits the output power and can lead to catastrophic failures. Therefore, in the last part of the PhD project, the performance of fluoride- and oxide-based endcap components under high-power 3 μm laser emission has been experimentally investigated and a novel endcapping method was proposed for suppressing the OH migration. Experimental studies in this PhD project represents a significant advance for further power scaling of 3 μm fluoride fiber laser sources and shows their potential to replace other laser technologies.

Les lasers à fibre émettant dans la région de 3.5 μm présentent un intérêt particulier pour les applications d’usinage des polymères et de spectroscopie des hydrocarbures en raison de la présence de bandes d’absorption de la liaison C-H. Bien que des sources émettant en régime continu sur cette plage spectrale aient été démontrées et optimisées au cours des dernières années, les sources impulsionnelles à 3.5 μm sont pratiquement inexistantes. Ce mémoire décrit le développement du premier laser fibré à commutation du gain émettant aux environs de 3.5 μm. Ce laser est basé sur le double pompage d’une fibre de fluorozirconate dopée à l’erbium pompée en continu à 976 nm et en régime pulsé à 1976 nm par un système fibré basé sur une fibre de silice dopée au thulium développé pour cet objectif. Un modèle théorique a été développé à l’aide de la méthode d’Euler qui permet de résoudre les populations et puissances le long de la cavité laser. Un laser à 3.55 μm a été réalisé produisant des impulsions nanosecondes à une cadence entre 12 et 20 kHz avec des puissances crêtes jusqu’à 272 W (9.31 μJ), ce qui est le record à ce jour pour un laser fibré à une telle longueur d’onde. Un quenching de l’émission laser a été observé pour un fort pompage à 1976 nm, limitant les performances et explicable par une absorption à l’état excité à cette longueur d’onde. Un système d’amplification d’impulsions a été réalisé et a démontré un gain maximal de 2.7 pour la transition laser. Le développement du système de pompage à 1976 nm est d’abord décrit et ses performances présentées. Le modèle numérique développé est ensuite présenté avec les principaux résultats obtenus. Finalement, l’oscillateur fibré à 3.552 μm est présenté et ses performances et limitations décrites. / Fiber lasers emitting in the 3.5 μm region are of interest for polymer processing and hydrocarbon spectroscopy applications due to the presence of C-H absorption bands. Although continuous wave sources emitting in this spectral range have been demonstrated throughout recent years, pulsed 3.5 μm are almost inexistent. This document presents the development of the first gain-switched fiber laser emitting around 3.5 μm. This laser is based on the dual-wavelength pumping of an erbium-doped fluorozirconate fiber by a continuous 976 nm laser diode and a 1976 nm pulsed system based on a thulium doped silica fiber that was developped for this purpose. A theoretical model was developped based on Euler’s method allowing to solve level populations and powers along the laser cavity. A 3.5 μm laser was then designed producing nanosecond pulses for repetition rates ranging from 12 to 20 kHz and peak powers up to 272 W (9.31 μJ), a record for a fiber laser at such a wavelength. Quenching of laser emission was observed for a high 1976 nm pumping rate, limiting performances and justified by an excited state absorption at this wavelength. A pulse amplification system was also built and characterized, yielding a maximum gain factor of 2.7. The development of the 1976 nm pulsed system is first described, and its performances analysed. The numerical model is then presented along the main simulation results. Finally, the 3.552 μm fiber oscillator is presented with its performances and limitations.

Le problème structural posé par les verres fluorés des éléments de transition 3d est abordé par EXAFS, diffraction (rayons X, neutrons) et modélisation.