Gaume, Romain (2002) A crystal chemistry approach for high-power ytterbium doped solid-state lasers. Diffusion-bonded crystals and new crystalline hosts. PhD thesis Physique et chimie des matériaux, UMR 7574, ENSCP.
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- A crystal chemistry approach for high-power ytterbium doped solid-state lasers. Diffusion-bonded crystals and new crystalline hosts. (deposited 21 February 2005)
- A crystal chemistry approach for high-power ytterbium doped solid-state lasers. Diffusion-bonded crystals and new crystalline hosts. (deposited 02 March 2005) [Currently Displayed]
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Abstract
This work deals with ytterbium based crystals for high-power laser applications. In particular, we focus our interest in reducing crystal heating and its consequences during laser operation following two different ways.
First, we review the specific properties of ytterbium doped solid-state lasers in order to define a figure-of-merit which gives the evaluation of laser performances, thermo-mechanical and thermo-optical properties. Bearing in mind this analysis, we propose a set of theoretical tools, based on the crystallographic structure of the crystal and its chemical composition, to predict thermo-mechanical and optical potentials. This approach, used for the seek of new Yb3+-doped materials for high-power laser applications, shows that simple oxides containing rare-earths are favorable. Therefore, the spectroscopic properties of six new materials Yb3+:GdVO4,
Yb3+:GdAlO3, Yb3+:Gd2O3, Yb3+:Sc2SiO5, Yb3+:CaSc2O4 and Yb3+:SrSc2O4 are described. The second aspect developed in this work deals with thermal properties enhancement of already well characterized laser materials. Two different ways are explored:
a) elaboration by diffusion bonding of end-caps lasers with undoped crystals (composite crystals). Thus, different composites were obtained and a fairly lowering of thermal lensing effect was observed during laser operation.
b) strengthening of crystalline structures by ionic substitution of one of its constituents. We demonstrate how crystal growth ability can be improved by a cationic substitution in the case of Yb3+:BOYS, a largely-tunable laser material which is of great interest for femtosecond pulses generation.
| Item Type: | PhD Thesis (PhD) |
|---|---|
| Thesis Supervisor: | Viana, B. |
| Date: | December 2002 |
| Board of examiners: | Fournier, D. and Pocholle, J. p. and Boulon, G. and Balembois, F. and Barraco, L. |
| Discipline: | Physique et chimie des matériaux |
| Collection (Fonds): | ENSCP |
| Institution: | ENSCP |
| Department: | UMR 7574 |
| Subjects: | 6. Chemistry, Physical Chemistry and Chemical Engineering |
| Uncontrolled Keywords: | High-power, Solid-state lasers, Ytterbium, Thermal conductivity, Diffusion bonding., Lasers solides infrarouges, Ytterbium, Lasers de puissance, Relations structure-propriétés, Conductivité thermique, Cristaux composites soudés par diffusion. |
Table of content
Introduction - 1
Chapitre 1: Les lasers solides dopés à l'ytterbium : généralités et spécificités
1.1 Les matériaux dopés à l'ytterbium - 5
1.1.1 L'ion ytterbium Yb3+
1.1.2 Solides dopés à l'ytterbium
1.2 Processus de transfert d'énergie - 15
1.2.1 Interaction des ions Yb3+ avec un champ électromagnétique
1.2.2 Interaction des ions Yb3+ avec un champ de phonons
1.3 Propriétés laser des solides dopés Yb3+ - 26
1.3.1 Lasers quasi-3-niveaux
1.3.2 Les matériaux laser dopés à l'ytterbium
1.3.3 Les limitations thermiques des lasers de puissance dopés à l'ytterbium
1.4 Conclusion - 47
Références bibliographiques
Chapitre 2: Réalisation de cristaux laser composites
2.1 Réalisation de surfaces optiques - 51
2.1.1 Orientation cristalline est ébauchage
2.1.2 Surfaçage
2.2 Soudage par diffusion - 74
2.2.1 Adhérence moléculaire ou contact optique de cristaux
2.2.2 Traitement thermique
2.3 Résultats expérimentaux - 81
2.3.1 Cristaux soudés par diffusion
2.3.2 Dilatation thermique anisotrope
2.3.3 Caractérisation des cristaux soudés
2.4 Conclusion - 87
Références bibliographiques
Chapitre 3: Amélioration des propriétés thermomécaniques d'un matériau laser: étude des solutions solides
(Sr1-xCax)3Y(BO3)3 :Yb3+
3.1 Introduction - 89
3.1.1 Présentation structurale du composé Sr3Y(BO3)3 :Yb3+
3.1.2 Comportement thermique du BOYS
3.1.3 Vers un renforcement de la structure du BOYS
3.2 Etude des solutions solides (Sr1-xCax)3Y(BO3)3 :Yb3+ - 92
3.2.1 Méthodes de préparation et de caractérisation
3.2.2 Propriétés thermomécaniques
3.2.3 Propriétés optiques
3.3 Propriétés laser de (Sr0.7Ca0.3)3Y(BO3)3 :Yb3+ 15 at.% - 107
3.4 Conclusion - 109
Références bibliographiques
Chapitre 4: Matériaux laser solides dopés à l'ytterbium pour la puissance
4.1 Propriétés thermiques et mécaniques de cristaux laser - 111
4.1.1 Conductivité thermique
4.1.2 Propriétés thermiques et liaison chimique
4.2 Rigidité, expansion thermique et dureté - 134
4.2.1 Origine de la rigidité
4.2.2 Origine de l'expansion thermique
4.2.3 Origine de la ténacité
4.3 Propriétés optiques des matrices laser solides - 140
4.3.1 Indice de réfraction d'une matrice cristalline
4.3.2 Variation de l'indice de réfraction avec la longueur d'onde
4.3.3 Variation de l'indice de réfraction avec la température
4.4 Nouveaux matériaux - 150
4.4.1 Choix des matériaux
4.4.2 Rappels structuraux
4.4.3 Synthèses et cristallogenèses
4.4.4 Propriétés optiques
3.4 Conclusion - 175
Références bibliographiques
Conclusion générale et Perspectives - 179
Annexe A
Annexe B
| ID Code: | 1100 |
|---|---|
| Deposited By: | Stéphanie Savina |
| Deposited On: | 02 March 2005 |
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