Yb3+-Lasermedien glänzen mit hoher Effizienz und relativ geringer thermischer Last, besonders in Laseroszillatoren und -verstärkern mittlerer bis hoher Leistung. Modenkopplung von Yb3+-Lasersystemen ermöglicht Subpikosekunden-Pulse bei hoher mittlerer Ausgangsleistung. Diese Arbeit widmet sich zwei Gruppen der vielversprechendsten neuen Yb3+-aktivierten Laserkristalle: den strukturell analogen, monoklinen Doppelwolframaten Yb:KGd(WO4)2 (Yb:KGW), Yb:KY(WO4)2 (Yb:KYW) und KYb(WO4)2 (KYbW) und den Yb3+-dotierten Sesquioxiden, vertreten durch Yb:Sc2O3 (Yb:Skandia). Die spektroskopischen Daten von KYbW, darunter eine extrem kurze 1/e-Absorptionslänge von 13 Mikrometern bei 981 nm, wurden im Rahmen der Dissertation vermessen. Die Lasereigenschaften niedrig Yb3+-dotierter Wolframate im Dauerstrich (cw)- und modengekoppelten Betrieb wurden in Lasern moderater Ausgangsleistung untersucht. Ultrakurzpuls-Erzeugung mit Yb:KYW, Yb:KGW und Yb:Glas wurde in einem passiv modengekoppelten Laser verglichen. Dabei wurde eine relativ hohe Lasereffizienz erreicht, Dank einer Trapezlaserdiode als Pumpquelle mit exzellenter Strahlqualität. Quasi-cw- und cw-Laserbetrieb von Yb3+ in hochdotierten und stöchiometrischen Wolframatkristallen wurden untersucht. Diese Materialien sind interessant für Mikrochip- und Scheibenlaser. Wichtige Fragestellungen waren die Kristallqualität und die Hitzeentwicklung bei hohen Yb3+-Konzentrationen. Erstmals wurde Lasertätigkeit von Wolframaten mit Yb3+-Konzentrationen >>20% und schließlich, mit KYbW, cw-Laserbetrieb eines stöchiometrischen Yb-Lasermaterials demonstriert. Weiterhin wurde mit KYbW der kleinste bisher für einen Laserkristall gemessene Laserquantendefekt erzielt, 1,6%. Unter Benutzung eines Yb:Sc2O3-Lasermediums wurde erstmals modengekoppelter Betrieb eines Oszillators mit Sequioxid-Laserkristall gezeigt. Betrieb mit nichtsolitonen- und solitonenartiger Pulsformung sowie mit Ti:Saphir-Laser oder Trapezlaserdiode als Pumplaser wurden untersucht. Mit einem Ti:Saphir-gepumpten Yb:Skandia-Laser wurde eine Konversionseffizienz von 47 % bezogen auf die absorbierte Pumpleistung erreicht, der bisher höchste Wert für einen modengekoppelten Yb3+-basierten Laser. / Yb3+ laser media excel with high efficiency and relatively low heat load, especially in medium to high power laser oscillators and amplifiers. Mode-locking of Yb3+ laser systems can provide subpicosecond pulse durations at high average power. This work deals with two groups of the most promising novel Yb3+-activated laser crystals: Yb3+-activated monoclinic double tungstates, namely the isostructural crystals Yb:KGd(WO4)2 (Yb:KGW), Yb:KY(WO4)2 (Yb:KYW), and KYb(WO4)2 (KYbW), and Yb3+-doped sesquioxides, represented by Yb:Sc2O3 (Yb:scandia). Spectroscopic data of KYbW were investigated as part of this thesis, finding an extremely short 1/e-absorption length of 13 micrometers at 981 nm. Continuous-wave (cw) and mode-locked laser performance of moderate-average-power lasers based on lowly Yb3+-doped tungstates were examined. Ultrashort pulse generation with Yb:KYW, Yb:KGW, and Yb:glass was compared in a passively mode-locked laser. A relatively high mode-locked laser efficiency was achieved due to a tapered diode pump laser with excellent beam quality. Quasi-cw and cw lasing of Yb3+ in highly doped and stoichiometric tungstate crystals were investigated. These materials are interesting for microchip and thin-disk lasers. Important issues were crystal quality and heat generation at high Yb3+ concentrations. For the first time, laser operation of tungstates with a Yb3+ concentration >>20% and finally, with KYbW, cw lasing of a stoichiometric Yb laser material was achieved. Furthermore, with KYbW, the smallest laser quantum defect ever for a laser crystal was demonstrated, 1.6%. Using a Yb:Sc2O3 laser medium, for the first time mode locking of an oscillator using a sesquioxide laser crystal was realized. Laser regimes with non-solitonlike and solitonlike pulse shaping were investigated, using a Ti:Sapphire laser and a tapered laser diode as pump sources. With a Ti:Sapphire-laser-pumped Yb:scandia laser the highest conversion efficiency with respect to absorbed pump power for any mode-locked Yb3+-based laser was achieved, 47%.

Optical coherence tomography benefits from the high brightness and bandwidth, as well as the spatial coherence of supercontinuum (SC) sources. The increase of spectral power density (SPD) over conventional light sources leads to shorter measuring times and higher resolutions. For some applications, only a portion of the broad spectral range can be used. Therefore, an increase of the SPD in specific limited spectral regions would provide a clear advantage over spectral filtering. This study describes a method to increase the SPD of SC sources by amplifying the excitation wavelength inside of a nonlinear photonic crystal fiber (PCF). An ytterbium-doped PCF was manufactured by a nanopowder process and used in a fiber amplifier setup as the nonlinear fiber medium. The performance of the fiber was compared with a conventional PCF that possesses comparable parameters. Finally, the system as a whole was characterized in reference to common solid-state laser-based photonic SC light sources. An order-of-magnitude improvement of the power density was observed between the wavelengths from 1100 to 1350 nm.

Ce travail de thèse est consacré au développement de sources lasers femtosecondes à haute cadence, de forte puissancemoyenne (>10 W) avec des énergies supérieures à 100 μJ. Ce type de sources est primordial pour le développementd’applications industrielles variées (micro-usinage athermique, chirurgie oculaire, …) ainsi qu’en recherchefondamentale pour l’étude de l’interaction laser matière.Après un chapitre d’introduction sur l’état de l’art des chaînes lasers de forte puissance moyenne à base de matériauxdopés ytterbium, la réalisation d’une chaîne laser de forte puissance moyenne compacte à base de fibre photoniquemicrostructurée à large aire modale sera présentée. Il sera notamment démontré les principales limitations en termed’énergie et de puissance moyenne. D’une part, le fort confinement de l’impulsion lumineuse dans le coeur de la fibrefavorise l’accumulation d’effets non-linéaires lors de l’amplification et détériore la qualité de l’impulsion. D’autrepart, en raison du diamètre de coeur important (> 70 μm) choisit pour lutter contre l’effet précèdent, le guidage dumode fondamental TEM00 de ces fibres est très critique et devient sensible à la charge thermique interne à la fibre.Cette source laser a été utilisée dans le cas de deux applications bien spécifiques : le perçage de plaques d’acierépaisses pour une finalité de déminage (relatif au cadre du financement de cette thèse par la Direction Générale del’Armement) et à la génération d’harmoniques d’ordres élevées à très haute cadence (relatif au domaine d’expertisedu CELIA). Ces deux applications sont traitées au cours du troisième chapitre.A la vue des limitations observées et afin de disposer de chaînes lasers plus énergétiques et offrant des duréesd’impulsions encore plus courtes, une nouvelles architecture d’amplification a été proposée : le pompage fortebrillance de matériaux dopés Ytterbium. Ce concept présenté dans le dernier chapitre utilise le développement desources fibrées monomodes continues émettant à 976 nm. Cette architecture d’amplification a été utilisée afin deréaliser d’une part un oscillateur sub-70 fs et de forte puissance moyenne (>2,3 W) à une cadence de 73 MHz etd’autre part : un amplificateur type « booster » à fort gain. Deux expériences qui ont été réalisées avec des cristauxd’Yb:CaF2. Ce matériaux présente en effet l’avantage d’avoir un très large spectre d’émission (>60 nm) propice à lagénération et amplification d’impulsions femtosecondes mais aussi d’être « compatible » avec les chaînes de trèsforte puissance grâce à sa très bonne conductivité thermique. / This work concerns the development of high repetition rate femtosecond lasers with high average power (>10 W)and energies in excess of 100 μJ. Such lasers are paramount for the development of new industrial applications(athermal micro-drilling, eye surgery, ...) and for fundamental research on high repetition rate laser matter interactionstudies.After a brief introduction and the state of the art summary on high-average power femtosecond laser with ytterbiumdoped materials, a compact high-average power femtosecond laser with a large mode area microstructured rod typeamplifier will be presented. It will browse the main limitations in terms of energy and average power. Limitationsare mainly due to the strong confinement of the electric field propagating in the fibre core leading to non-linear effectsaccumulated during the amplification. On the other hand, for larger core diameter (> 70 μm), the fundamental modeguiding (TEM00) is very weak and thus very sensitive to the internal thermal load of the fibre.This laser source has been used in two specific applications: athermal drilling of thick stainless steel plate for mineclearing(an application of interest for the Direction Générale de l’Armement) and High order Harmonics Generationat high repetition rate (related to CELIA activities). These two applications are presented in the third chapter.In order to stretch the limits and generate more energetic and a shorter pulse, a new amplification scheme has beenproposed, namely high brightness optical pumping of ytterbium doped materials. This concept presented in the lastchapter benefits from the development of high average power single-mode fibre lasers source emitting at 976 nm.This amplification scheme allowed us to realize a high average power Kerr-lens oscillator delivering pulses with apulse duration below than 70 fs and an average power of 2.3W at a repetition rate of 73 MHz. In a second phase, wealso developed a « booster » amplifier with a high single- pass-gain. These two results have been obtained by usingYb-doped CaF2 crystals. This material presents the advantage to have a very broad emission bandwidth (> 60nm)suitable to generate and amplify femtosecond pulses and to be compatible with high average power laser due to hisvery good thermal conductivity.