Le développement du laser a ouvert la voix à l'exploration de nouveaux domaines scientifiques et industriels. Les impulsions laser à haute intensité sont un outil unique pour les études d'interaction lumière/matière et leurs applications. Mais elles sont générées par des systèmes laser reposant sur l'utilisation de milieux à gain en verre pompés par des lampes flashes et sont donc intrinsèquement limitées en termes de cadence et d'efficacité. Le développement, au cours de ces dernières années, des lasers semi-conducteurs a attiré l'attention sur une nouvelle classe de lasers, les « laser solides pompés par diodes » (DPSSL). Ils possèdent une grande efficacité et sont des candidats de choix pour les systèmes compacts à haute puissance moyenne requis pour des applications industrielles, mais aussi en tant que sources de pompe à haute puissance pour des lasers ultra-intenses. Les travaux décrits dans cette thèse s'inscrivent dans le cadre du système laser Lucia (1 kilowatt de puissance moyenne), actuellement en construction au «Laboratoire d'Utilisation des Intenses lasers» (LULI) à l'Ecole Polytechnique, France. La génération d'impulsions laser de durée sub-10 nanosecondes avec des énergies allant jusqu'à 100 joules et des taux de répétition de 10 hertz est principalement limitée par l'émission spontanée amplifiée (ASE) et les effets thermiques. L'étude de ces limitations est le thème central de ce travail. Leur impact est discuté dans le cadre d'un premier jalon énergétique fixé vers 10 joules. Le système laser mis au point est présenté en détails depuis l'oscillateur jusqu'à la fin de la chaine d'amplification. Une discussion complète de l'impact de l'ASE et des effets thermiques est complétée par des vérifications expérimentales. Les modèles de simulation informatique développés sont validés puis utilisés pour prédire les performances du système laser qui, lors d'une première activation, à atteint un niveau d'énergie de 7 joules en régime mono-coup et de 6,6 joules pour un taux de répétition de 2 hertz. Les limitations actuelles sont discutées ainsi que les approches envisagées pour des développements futurs.

Thermoelectric materials are solid state devices having the capability to convert heat to electrical energy and vice versa. These materials are simple, have no moving parts and use no greenhouse gases. But the major drawback of these materials is their low conversion efficiency. Hence enhancement of thermoelectric efficiency is required to make the use of these devices widespread. Thermoelectric efficiency is related to a parameter termed figure of merit, ZT which is associated with the inter-related transport properties such as Seebeck coefficient, electrical and thermal conductivity. Efficient thermoelectric material should possess high Seebeck coefficient (S), high electrical conductivity () and low thermal conductivity (). The present investigation revolves around improvement of ZT of CoSb3 either by chemical doping or through microstructural modifications. These materials possess structural voids, which can be filled with foreign atoms. The rattling motion of these filler atoms reduces the thermal conductivity of these materials, thereby increasing the thermoelectric efficiency. The rattler atoms chosen for the present study are Mn and Yb. Both coarse and fine-grained MnxCo4Sb12 (x = 0. 0.2, 0.4, 0.8, 1.2 and 1.6) and Yb0.19Co4Sb12 have been synthesized and subjected to various structural and functional property characterizations. The structural study based on Rietveld Analysis and the corresponding difference Fourier maps confirms the void occupancy by Mn and Yb in MnxCo4Sb12 (x 0.2, 0.4 and 0.8) and Yb0.19Co4Sb12. In higher Mn content, x=1.2 and 1.6, Mn was found to partially substitute Co site and partially fill the voids and the remaining precipitated out as free particles. A comparative study of coarse and fine-grained CoSb3 has thrown light in to the grain size effect on the thermoelectric properties. Lowering of grain size helped in enhancement of ZT in CoSb3. Seebeck coefficient (thermoelectric power), electrical and thermal conductivity have been measured for different concentrations of the filler Mn atoms between 300K and 673K. A change in sign of the Seebeck coefficient from negative to positive occurs, when Mn concentration exceeds x=0.8. Electrical resistivity values was found to decrease initially with Mn filling with the minimum value at Mn content, x=0.4 and then gradually increase as Mn content increases. The thermal conductivity value decreases with Mn content in the CoSb3 indicating their rattling property which helps in the enhancement of the overall thermoelectric efficiency. There is a reduction in the value of ktotal in Mn filled CoSb3 than that of the unfilled counterpart. This decrease in the ktotal is a clear indication of the rattling motion of the filler Mn atom in the structural void of CoSb3. Highest ZT of 0.36 is achieved by Mn0.4Co4Sb12 at 373K. Higher concentration of Mn (with x= 1.2 and 1.6) proved to be detrimental in terms of improvement of the value of ZT. Grain size reduction helped in improvement of ZT in Mn0.2Co4Sb12. Maximal ZT of 0.06 at 523K is achieved in hot pressed Mn0.2Co4Sb12. The corresponding coarse-grained material is found to possess ZT of 0.01 at the said temperature. The enhancement can be attributed to high / ratio and high density. Similarly, fine grained Yb0.19Co4Sb12 shows higher ZT compared to the coarse-grained sample because high / and high S.

I den här avhandlingen visas hur lasrar och optiska parametriska oscillatorer (OPO:er) kan styras spektralt med hjälp av volymbraggitter. Volymbraggitter utgörs av ett periodiskt varierande brytningsindex som skrivits i ett fototermorefraktivt glas. Gittret reflekterar därmed en specifik våglängd som bestäms av perioden hos modulationen, och kan tillverkas med smal bandbredd och hög reflektans beroende på modulationens längd och styrka. En teoretisk modell har utvecklats för reflektiva volymbraggitters egenskaper om den infallande strålen har en större vinkelspridning än gittrets vinkeltolerans. Detta kan bl.a. inträffa i en laserkavitet där gittret används vid snett infall, och en teoretisk beskrivning är därför ett viktigt redskap för att kunna designa sådana lasrar. Spektral kontroll av ett antal fasta tillståndslasrar med hjälp av volymbraggitter har i försök påvisats, och lasern har därvid både kunnat avstämmas spektralt samtidigt som en avsmalnad spektral bandbredd erhållits. Lasern kan göras väldigt enkel genom att byta ut en av kavitetsspeglarna mot gittret. Tack vare gittrets goda spektrala urvalsmekanism kan lasern låsas var som helst i förstärkningsspektrumet. De tekniker och lasrar som demonstrerats experimentellt är följande: Lasring i en enda longitudinell mod erhölls både för en diodpumpad ErYb:glas-laser vid 1553 nm med ca 10 mW:s effekt och 90 kHz linjebredd samt för en diodpumpad Nd:GdVO4-laser vid 1066 nm med 0.85 W:s effekt. Lasrarnas våglängd kunde avstämmas över större delen av gittrets bandbredd på ca. 30 GHz. Genom att bygga Nd:GdVO4-lasern med en monolitisk kavitet kunde även en spektralt synnerligen stabil laser erhållas med under 40 MHz bandbredd. Tillämpningar för dessa lasrar finns både inom spektroskopi samt som källor för intrakavitetsfördubbling till synliga våglängder. Genom att använda gittret som inkopplingsspegel går det även att framställa lasrar med en väldigt låg kvantdefekt, som därför får minskad värmeutveckling i lasermediet. Detta medger i sin tur att lasrar med höga medeleffekter kan konstrueras, som kan användas bl.a. för olika former av materialbearbetning. I detta arbete har lasrar med låg kvantdefekt byggts med Yb:KYW som laserkristall; både en laser vid 998 nm på 3.6 W som diodpumpades vid 982 nm och med en bandbredd på 10 GHz, samt en laser vid 990 nm på 70 mW som pumpades av en Ti:safir-laser vid 980 nm. Om volymbraggittret används vid snett infall kan den reflekterade våglängden avstämmas genom att gittret roteras. Denna princip användes i en diodpumpad Yb:KYW-laser till att erhålla en brett avstämbar laservåglängd mellan 996 nm och 1048 nm med en maximal effekt på 3 W och med 10 GHz bandbredd. Genom att placera gittret i en retroreflektor kunde avstämningen göras utan att kaviteten behövde linjeras om. En laser som denna kan exempelvis användas för olika typer av materialkarakterisering och spektroskopi. Med optiska parametriska oscillatorer (OPO:er) kan laserljus omvandlas till nya våglängder. Därmed kan OPO:er användas som koherenta ljuskällor där inga effektiva lasrar existerar. OPO-processen kan göras effektiv om en pulsad pump används, och den genererade våglängden kan enkelt styras med hjälp av periodiskt polade (PP) icke-linjära kristaller, såsom PP-KTiOPO4, som användes i detta arbete. En nackdel med OPO:er är att i allmänhet är den genererade signalen tämligen spektralt bredbandig. Signalens bandbredd kan dock avsmalnas betydligt om ett spektralt filter såsom ett volymbraggitter används. Genom att byta ut en av speglarna i OPO-kaviteten mot gittret kan utformningen av OPO:n göras väldigt enkel. I en OPO med en signalvåglängd på 975 nm kunde en avsmalning av bandbredden till 50 GHz påvisas med hjälp av ett braggitter. Detta motsvarar 20 gångers minskning jämfört med om en konventionell spegel används. Som mest erhölls en pulsenergi på 0.34 mJ i signalen. Genom att rotera gittret kunde våglängden avstämmas 21 THz. För att förenkla avstämningen konstruerades även en OPO med gittret i en retroreflektor, samtidigt som kaviteten var av ringtyp. I denna OPO vid en våglängd på 760 nm och med en pulsenergi i signalen på upp till 0.42 mJ erhölls en bandbredd på 130 GHz och ett avstämningsområde på 2.6 THz. Slutligen har en OPO vid 1 µm konstruerats med ett gitter med en transversellt varierande period, s.k. chirp. Därigenom kan våglängden avstämmas väldigt enkelt genom att bara flytta gittret transversellt. En tillämpning av dessa OPO:er är såsom ljuskällor i olika typer av laserbaserade sensorer, i vilka en specifik och stabil våglängd erfordras. Dessutom kan de smalbandiga OPO:erna användas som första steg i ickelinjära processer i flera steg. Smal bandbredd är då viktig för effektiviteten i den påföljande ickelinjära omvandlingen i nästa steg. / The object of this thesis is to explore the usage of reflective volume Bragg gratings in photo-thermo-refractive glass for spectral control of solid-state lasers and optical parametric oscillators, to build tunable and narrowband coherent light-sources. In order to provide a design tool for use of reflective volume Bragg gratings in laser cavities, a theory was developed that describes the performance of the gratings if the incident beam has finite width with an angular spectrum that is comparable to the grating's angular acceptance bandwidth. Spectral control was demonstrated in a number of cw solid-state lasers, in terms of narrow bandwidth and tunable wavelength, by use of a volume Bragg grating. The design could be made very simple by replacing one of the cavity mirrors with the grating. Thanks to the grating's strong spectral selectivity, the lasers could be locked anywhere in the gain spectrum, while the laser bandwidth was substantially narrowed. In particular, the following lasers were demonstrated: Single-longitudinal-mode lasing in ErYb:glass at 1553 nm with 90 kHz linewidth and in Nd:GdVO4 at 1066 nm with a linewidth below 40 MHz. Very low quantum defect in Yb:KYW lasers, diode-pumped at 982 nm and lasing at 998 nm with 10 GHz bandwidth, as well as Ti:sapphire-pumped at 980 nm and lasing at 990 nm. An Yb:KYW laser that was widely tunable from 996 nm to 1048 nm with 10 GHz bandwidth. In nanosecond pulsed optical parametric oscillators (OPOs) based on periodically poled KTiOPO4, narrowband operation and a tunable wavelength were demonstrated with a volume Bragg grating as a cavity mirror. At a signal wavelength of 975 nm, the bandwidth was 50 GHz, a reduction by 20 times compared to using a conventional mirror. A tuning range of 21 THz was also demonstrated. In another OPO at a signal wavelength of 760 nm, a ring-cavity design was demonstrated to provide convenient tuning. A tuning range of 2.6 THz and a bandwidth of 130 GHz was shown. Also, narrowband operation and tuning in an OPO around 1 µm was demonstrated by use of a transversely chirped Bragg grating. / QC 20100813

Pour un grand nombre d'applications, les sources laser impulsionnelles femtoseconde (fs) doivent fournir des puissances toujours plus importantes. En régime impulsionnel, on recherche d'une part une forte puissance crête par impulsion, et d'autre part une forte puissance moyenne, c'est à dire un taux de répétition élevé. Parmi les technologies existantes, les amplificateurs à fibre optique dopée ytterbium présentent de nombreux avantages pour l'obtention de fortes puissances moyennes, cependant le fort confinement des faisceaux dans la fibre sur de grandes longueurs d'interaction induit inévitablement des effets non-linéaires, et limite ainsi la puissance crête accessible. Nous avons étudié lors de cette thèse la combinaison cohérente d'impulsions fs appliquée aux systèmes fibrés. Ayant déjà fait ses preuves dans les régimes d'amplification continu et nanoseconde, la combinaison cohérente de faisceaux (dite combinaison spatiale) permet de diviser une seule et unique source en N voies indépendantes, disposées en parallèle et incluant chacune un amplificateur. Les faisceaux amplifiés sont ensuite recombinés en espace libre en un seul et unique faisceau, qui contient toute la puissance des N amplificateurs sans accumuler les effets non-linéaires. Cette architecture permet théoriquement de monter d'un facteur N le niveau de puissance crête issu des systèmes d'amplification fibrés. Au cours de cette thèse, nous avons démontré la compatibilité et l'efficacité de cette méthode en régime d'amplification fs avec deux amplificateurs, selon différents procédés. Les expériences démontrent d'excellentes efficacités de combinaison ainsi qu'une très bonne préservation des caractéristiques temporelles et spatiales initiales de la source. Les procédés de combinaison cohérente nécessitent cependant un accord de phase entre différents amplificateurs stable dans le temps, assuré en premier lieu par une boucle de rétroaction. Nous avons poursuivi notre étude en concevant une architecture totalement passive, permettant une implémentation plus simple d'un système de combinaison à deux faisceaux sans asservissement électronique. Enfin, une méthode passive de combinaison cohérente dans le domaine temporel est étudiée et caractérisée dans le domaine fs, et implémentée simultanément avec la méthode passive de combinaison spatiale proposée précédemment. Ces expériences démontrent la validité et la variété des concepts proposés, ainsi que leurs nombreuses perspectives pour les systèmes d'amplification fs fibrés.

L'objectif de cette thèse est de développer un ensemble de modèles pour comprendre la physique des sources lasers à fibres de grande luminance spectrale. En les utilisant, des sources laser impulsionnelles à fibres dopées Erbium-Ytterbium ont été réalisées pour les applications lidar à détection cohérente.<br />La dynamique des sources impulsionnelles générant des impulsions nanosecondes à microsecondes a été analysée dans la première partie de cette étude. L'influence des réflexions parasites aux faibles taux de répétition (quelques kilohertz) a notamment été mise en évidence. Les effets thermiques dans les lasers Erbium-Ytterbium à forte puissance de pompe ont également été étudiés. Lorsque l'intensité transportée devient suffisamment importante, l'effet non-linéaire<br />dominant, la Diffusion Brillouin Stimulée (DBS) limite la puissance extractible des amplificateurs.<br />Nous avons donc développé dans un deuxième temps un modèle original qui rend compte de la dynamique de la DBS dans les amplificateurs dopés. Le caractère guidé des ondes acoustiques qui interviennent a été pris en compte. Un modèle satisfaisant des modes longitudinaux acoustiques a été introduit. Afin d'élever le seuil de la DBS, des fibres amplificatrices faiblement multimodes peuvent être utilisées. Un compromis entre qualité spatiale et puissance crête transportable doit alors être<br />trouvé. Grâce à nos modèles, nous avons conçu une source impulsionnelle multi-étages qui a permis<br />d'atteindre 650 µJ pour des impulsions de l'ordre de la microseconde avec une qualité de faisceau caractérisée par un M2~2.

Le développement de lasers solides de puissance-moyenne élevée doit faire face à des problèmes très spécifiques. La gestion de la thermique et de l'amplification de l'émission spontanée (ASE) pour de larges amplificateurs lasers deviennent des points clés lorsque l'augmentation de l'énergie de vient conséquente. Lucia est une chaîne laser de forte puissance moyenne qui repose sur le concept du miroir actif avec un cristal ou une céramique d'Yb:YAG comme milieu à gain. Comme pour d'autres systèmes lasers comparables, la distribution des ions actifs du milieu à gain est homogène en volume. Un profil variable du taux de dopage présente des avantages significatifs en termes de gain et par conséquent ouvre le chemin à une minimisation efficace des effets délétères de l'ASE et de l'échauffement. Cette thèse concerne la fabrication de tels milieux à gain. La méthode de croissance cristalline Bagdasarov, grâce à plusieurs de ses particularités, a permis d'obtenir plusieurs cristaux d'Yb:YAG avec profils de dopage variables contrôlés jusqu'à des valeurs de gradient de 3 at%/cm. Les résultats expérimentaux sont en bon accord avec les modèles mathématiques. Des simulations complémentaires de la température et du profil de gain montre que même avec des gradients plus faibles, les performances énergétiques des amplificateurs Lucia peuvent être améliorées jusqu'à 30%. Il est aussi alors possible d'utiliser des milieux à gain plus fins ce qui a pour conséquence positive une meilleure extraction de la chaleur. De larges cristaux d'Yb:YAG de 90 mm de diamètre ont été produits.

The subject of this thesis is the exploration of new concepts for compact solid-state lasers in the visible and near-infrared spectral range using new components such as volume Bragg gratings for wavelength stabilisation and wavelength tuning. Also single-walled carbon nanotubes for mode-locking and Q-switching of lasers have been studied.We have developed a new method for the tuning of solid-state lasers by replacing a dielectric mirror with a transversally chirped volume Bragg grating, which allows smooth wavelength tuning without additional elements inside the laser cavity. The result is a more compact laser, since the tuning mechanism and output coupler are incorporated in one component. Another benefit is an increased efficiency, since additional elements inside the cavity will always add to the total loss of the laser. This has been demonstrated for a broadband ytterbium laser around 1 µm and a single-longitudinal-mode Nd:YVO4 laser around 1.06 µm. A volume Bragg grating has also been used to construct an efficient, narrow-linewidth ytterbium fiber laser and the employment of a volume Bragg gratingas the pump mirror of a solid-state laser for frequency-doubling has been investigated. Both lasers represent a practical solution, eliminating the use of additional intracavity elements. Second-harmonic generation is an efficient way to access the visible spectral range using diode-pumped solid-state lasers. However, these lasers can suffer from large amplitude fluctuations, which has been analyzed in more detail for an optically-pumped semiconductor disk-laser and a volume Bragg grating locked ytterbiumlaser. The control of those amplitude fluctuations is very important, since many applications like fluorescence microscopy require a laser with a constant output power and as little noise as possible. In addition to this, we have demonstrated, that saturable absorbers based on quan-tum dots and carbon nanotubes can be used to mode-lock compact laser at a wavelength around 1.03 µm. Those lasers have many interesting applications incommunications, clock generation, metrology and life sciences. / <p>QC 20130507</p>

Pour un grand nombre d'applications, les sources laser impulsionnelles femtoseconde (fs) doivent fournir des puissances toujours plus importantes. En régime impulsionnel, on recherche d'une part une forte puissance crête par impulsion, et d'autre part une forte puissance moyenne, c'est à dire un taux de répétition élevé. Parmi les technologies existantes, les amplificateurs à fibre optique dopée ytterbium présentent de nombreux avantages pour l'obtention de fortes puissances moyennes, cependant le fort confinement des faisceaux dans la fibre sur de grandes longueurs d'interaction induit inévitablement des effets non-linéaires, et limite ainsi la puissance crête accessible. Nous avons étudié lors de cette thèse la combinaison cohérente d'impulsions fs appliquée aux systèmes fibrés.Ayant déjà fait ses preuves dans les régimes d'amplification continu et nanoseconde, la combinaison cohérente de faisceaux (dite combinaison spatiale) permet de diviser une seule et unique source en N voies indépendantes, disposées en parallèle et incluant chacune un amplificateur. Les faisceaux amplifiés sont ensuite recombinés en espace libre en un seul et unique faisceau, qui contient toute la puissance des N amplificateurs sans accumuler les effets non-linéaires. Cette architecture permet théoriquement de monter d'un facteur N le niveau de puissance crête issu des systèmes d'amplification fibrés. Au cours de cette thèse, nous avons démontré la compatibilité et l'efficacité de cette méthode en régime d'amplification fs avec deux amplificateurs, selon différents procédés. Les expériences démontrent d'excellentes efficacités de combinaison ainsi qu'une très bonne préservation des caractéristiques temporelles et spatiales initiales de la source. Les procédés de combinaison cohérente nécessitent cependant un accord de phase entre différents amplificateurs stable dans le temps, assuré en premier lieu par une boucle de rétroaction. Nous avons poursuivi notre étude en concevant une architecture totalement passive, permettant une implémentation plus simple d'un système de combinaison à deux faisceaux sans asservissement électronique. Enfin, une méthode passive de combinaison cohérente dans le domaine temporel est étudiée et caractérisée dans le domaine fs, et implémentée simultanément avec la méthode passive de combinaison spatiale proposée précédemment. Ces expériences démontrent la validité et la variété des concepts proposés, ainsi que leurs nombreuses perspectives pour les systèmes d'amplification fs fibrés.

Le remplacement des lasers à gaz émettant à 488 nm ou à 442 nm, à l'aide de lasers solides, représente un véritable enjeu industriel. De nombreuses solutions ont été développées, néanmoins, celle consistant en le doublement de fréquence d'une oscillation autour de 884 nm (cristaux dopés aux ions Nd3+) ou de 976 nm (cristaux dopés aux ions Yb3+) a toujours été écartée, de par la nature à trois niveaux des transitions mises en jeu. La très forte réabsorption du milieu à la longueur d'onde laser rend, à première vue, cette alternative peu efficace. Grâce à la significative amélioration de la luminance des diodes de pompe, ce problème peut désormais être dépassé et l'oscillation de ces transitions envisagée. Dans ces travaux, nous proposons une étude théorique et expérimentale de l'oscillation laser en pompage par diode des transitions à trois niveaux dans les cristaux dopés aux ions Nd3+ et Yb3+. Tout d'abord nous présentons l'étude du pompage direct par diode d'un cristal de Nd:GdVO4 émettant à 880 nm, qui après doublement de fréquence nous permet de proposer une alternative aux lasers à HeCd. Nous présentons ensuite un nouveau concept, le pompage en intracavité, que nous appliquons aux cristaux dopés aux ions Yb3+ pour obtenir un effet laser autour de 980 nm. En effet, à l'intérieur d'une cavité laser, la forte puissance circulante est couplée à une bonne qualité spatiale de faisceau; ces caractéristiques représentent les conditions optimales de pompage d'une transition à trois niveaux. En conclusion, nous proposons une comparaison théorique des différents types de pompage proposés, permettant de dégager avantages et inconvénients de chacune de ces deux configurations.

Le cadre général de cette thèse est l'étude de nouvelles sources laser solides, pompées par diode, émettant un rayonnement continu monomode longitudinal dans le proche infrarouge (1000 nm) et dans le bleu-vert par doublement de fréquence, particulièrement à 501,7 nm. Ces sources laser visent des applications métrologiques telles que la spectroscopie de l'iode (127I2) à ultra-haute résolution et la mise en pratique du mètre, domaines dans lesquels les lasers à argon sont actuellement utilisés.<br />Le premier chapitre de ce travail présente le contexte de cette étude, à travers un état de l'art des sources laser autour de 500 nm, les solutions retenues et explorées, ainsi que des éléments théoriques pour la génération de seconde harmonique. Le principe commun des deux voies est de produire une émission laser monomode spectrale à 1000 nm qui est ensuite doublée en fréquence.<br />Le deuxième chapitre traite de la solution utilisant des cristaux dopés ytterbium émettant à 1000 nm, dont l'émission est doublée en fréquence intracavité dans un cristal non linéaire de KNbO3. Deux cristaux laser sont utilisés : le Yb:YSO et le Yb:KYW. Dans les deux cas, à 501,7 nm, nous démontrons des puissances en régime monofréquence comprises entre 35 et 60 mW pour une puissance de pompe de 4W à 980 nm.<br />Le troisième chapitre concerne la seconde voie étudiée utilisant un milieu amplificateur semiconducteur à puits quantiques de type VCSEL. La structure active, formée d'un miroir de Bragg et de puits quantiques, est montée en cavité étendue et pompée optiquement. L'émission autour de 1000 nm est doublée en fréquence pour produire 60 mW en régime monomode spectral à 500 nm, à partir d'une puissance de pompe de 6,5 W à 808 nm.