Petit, Johan (2006) Ytterbium doped single crystals and bonded materials for high power lasers. PhD thesis Physique et chimie des matériaux, ENSCP.

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Abstract

Rare earth doped solid state lasers have several advantages: they are compact, they have a high efficiency and their beam quality is good. The main problem to reach high power is the heat production occurring during laser process. The first part of this thesis reports the study of new high pumping power resistance materials: Yb:GdVO4 and Yb:CaGdAlO4 for instance. In the latter laser host, quasi athermal laser emissions and ultra-short pulses have been obtained. In a second part of the thesis, a new sol-gel bonding technique was studied to realize composite sources with efficient heat dissipation. Using this technique, composites of two identical materials showed the same resistance capacities than those obtained by the diffusion bonding method. Using sol-gel interlayer, composites of two different materials are possible: they are resistant up to 200°C and 15 W of input power. The laser losses at the interface are insignificant and the temperature inside the material decreased of about 40%.

Table of content

Introduction - 1
Partie 1: Nouveaux matériaux possédant un paramètre de résistance à la fracture sous flux laser élevé - 5
1. Introduction - 6
2. Résistance des matériaux laser sous forte puissance de pompage - 7
2.1. Propriétés intrinsèques de la matrice - 7
2.1.1. Détermination d'un paramètre de résistance aux chocs thermiques - 7
2.1.2. Prédiction de la conductivité thermique des isolants - 10
2.1.3. Mesures de la conductivité thermique - 13
2.1.4. Mesures des coefficients de dilatation thermique et de la chaleur spécifiques des composés - 18
2.2. Paramètres laser de l'ion ytterbium - 18
2.2.1. Les lasers quasi-trois niveaux - 18
2.2.2. Le défaut quantique ou "quantum defect" - 27
2.2.3. Les sections efficaces: absorption, émission et gain - 30
2.2.4. Emission coopérative de l'ytterbium - 31
2.3. Un nouveau facteur de mérite prenant en compte la résistance thermique du matériau et la production de chaleur. - 34
2.4. Choix des matériaux et influence de leur morphologie - 35
2.4.1. Orientation du choix de nouvelles matrices - 35
2.4.2. Sources laser existantes - 37
3. Croissance et étude de nouveaux matériaux dopés ytterbium - 41
3.1. Le CaGdAlO4 ou CALGO - 41
3.1.1. Croissance cristalline - 41
3.1.2. Etudes thermiques - 44
3.1.3. Etudes spectroscopiques - 45
3.1.4. Propriétés laser en régime continu - 53
3.1.5. Génération de pulses ultra-brefs - 60
3.1.6. Mesure de la température interne du CALGO :Yb en régime laser par une méthode spectroscopique - 62
3.1.7. Conclusion sur le matériau CaGdAlO4 :Yb - 69
3.2. Le vanadate de gadolinium, GdVO4 - 70
3.2.1. Croissance cristalline - 70
3.2.2. Etudes thermiques - 72
3.2.3. Etudes spectroscopiques - 74
3.2.4. Propriétés laser en pompage continu (saphir :Ti) - 77
3.2.5. Conclusion sur le vanadate de gadolinium dopé ytterbium - 78
3.3. Les orthoaluminates de terres rares: GdAlO3 et YAlO3 - 78
3.3.1. Croissance cristalline et structure - 78
3.3.2. Etudes thermiques - 81
3.3.3. Caractérisation des défauts colorés - 82
3.4. Matériaux à dilatation faible voire négative: cas de Lu2(WO4)3 - 86
3.4.1. Principe de la dilatation faible voire négative - 86
3.4.2. Croissance cristalline et structure - 89
3.4.3. Etude de la dilatation - 91
3.4.4. Propriétés spectroscopiques - 92
3.4.5. Conclusions sur Lu2(WO4)3 - 94
4. Discussion sur les matériaux en rapport avec les applications laser hautes puissances - 95
4.1. Conductivités thermiques de différents matériaux - 95
4.1.1. Les grenats - 95
4.1.2. Le CaF2 - 98
4.1.3. Les orthosilicates - 100
4.1.4. Les mélilites - 101
4.1.5. Conclusion sur les mesures de conductivité thermiques - 101
4.2. Comparaison des différents matériaux en terme de résistance à la puissance laser - 102
5. Conclusion sur les matériaux - 107
6. Références - 109
Partie 2: Réduction de l'échauffement dans les matériaux laser par assemblage - 115
1. Introduction - 116
2. Intérêt des assemblages - 117
2.1. Une dissipation axiale de la chaleur - 117
2.1.1. Principe - 117
2.1.2. Simulations de profils thermiques - 118
2.2. Rappels sur l'assemblage par diffusion - 126
2.2.1. Principe de la méthode - 126
2.2.2. Quelques exemples d'assemblages par diffusion - 129
3. Méthode d'assemblage par couche d'interface - 130
3.1. Rappels sur la formation d'un réseau de silice: procédé dit sol-gel - 130
3.1.1. Une polymérisation minérale - 131
3.1.2. Post traitement et applications - 135
3.1.3. Cahier des charges de l'interface pour l'assemblage de matériaux laser - 136
3.2. Méthodes de caractérisation des assemblages - 137
4. Assemblages réalisés et caractérisations - 139
4.1. Résistance thermique - 139
4.2. Les tests sous pompage laser - 140
4.2.1. Pompage sans effet laser - 140
4.2.2. Pompage avec effet laser - 151
5. Conclusion sur les assemblages - 154
6. Références - 156
Conclusion - 157
Annexes

Statistiques de consultation

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