Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Optique non linéaire Laser visible“

Lorsqu’un fort flux laser traverse ou est réfléchi sur un composant optique, le couplage du rayonnement laser dans la matière (par absorption intrinsèque, par absorption sur des défauts locaux, ou par absorption non-linéaire) peut conduire à des effets irréversibles altérant la fonction optique du composant et pouvant même le rendre inutilisable. Ces modifications permanentes du matériau sont définies comme des « endommagements laser ». C’est un verrou technologique majeur à l’essor des sources lasers à haute puissance ou haute énergie, puisque qu’il limite la densité de puissance ou d’énergie accessible, affecte la durée de vie des composants optiques, ainsi que le coût de maintenance des chaînes laser.

Un vortex optique est un faisceau laser dont le front d’onde est hélicoïdal. Il est donc chiral, d’hélicité gauche ou droite selon le sens de l’hélice. En plus du moment angulaire de spin qui correspond à la polarisation, les photons possèdent aussi un moment angulaire orbital (OAM) qui est quantifié et caractérise l'hélicité du vortex. L’interaction non linéaire de vortex optiques avec des atomes conduit à l’échange d’OAM avec l‘ensemble atomique et la génération de nouveaux vortex. Les propriétés quantiques de ces vortex sont une ressource exploitable dans le cadre des technologies quantiques comme le stockage et le codage de l’information.

Les lasers émettant dans l’ultraviolet trouvent de nombreuses applications dans les domaines de la chirurgie médicale, de l’usinage ou de la microélectronique. Actuellement, le domaine ultraviolet est principalement couvert par des lasers à gaz, encombrants, appelés lasers à excimère. Mais les lasers solides UV basé sur des cristaux convertisseur de fréquence offrent une alternative extrêmement séduisante.Ces travaux de thèses s’articulent autour de deux axes : l’élaboration de cristaux oxydes dopés praséodyme en particulier l’ASL (Sr0.7La0.3Mg0.3Al11.7O19), le LGAGO (LaGa0.6Al0.4Ge2O7) et le CYAM (CaYAl3O7) pour obtenir une émission directe dans le visible. Le second axe concerne la croissance de matériaux non linéaires qui peuvent être utilisés pour convertir cette longueur d’onde visible en UV avec en particulier YAl3(BO3)4 (YAB) ou Ca5(BO3)3F (CBF).Concernant les matériaux dopés praséodyme, des monocristaux ont été obtenu par la méthode Czochralski ou par la méthode de la zone fondue puis leurs propriétés spectroscopiques ont été caractérisées (sections efficaces d’absorption et d’émission, temps de vie de fluorescence, …). Des émissions laser ont également été obtenues dans les domaine du rouge lointain (726 nm) du rouge (640 nm) et de l’orange (620 nm) avec des échantillons de Pr :ASL de très bonne qualité optique.S’agissant des matériaux non linéaires, une optimisation des conditions de croissance du CBF en flux LiF a permis d’obtenir des cristaux totalement transparents et présentant peu d’inclusions. Une étude a également été menée pour trouver de nouveaux candidats comme flux pour la croissance de ce matériau avec notamment SrF2.Pour la croissance du YAB, deux systèmes ont été étudiés : un premier à base du borate de lanthane LaB3O6 et un second à base du tungstate Li2WO4. Plusieurs cristaux de YAB de bonne qualité optique ont pu être obtenu par croissance TSSG avec ces flux
Ultraviolet emitting lasers have many applications in medical surgery, machining, or microelectronics. Currently, the ultraviolet domain is mainly covered by bulky gas lasers, called excimer lasers. However, solid-state UV lasers based on frequency converter crystals give an alternative path to those systems.This PhD thesis focused on two main topics: the growth of new praseodymium oxide hosts such as ASL (Sr0.7La0.3Mg0.3Al11.7O19), LGAGO (LaGa0.6Al0.4Ge2O7) and CYAM (CaYAl3O7) for visible light emission. The second topic is about the growth of nonlinear crystals which can convert this visible light into UV light such as YAl3(BO3)4 (YAB) or Ca5(BO3)3F (CBF).Pr3+ doped crystals were obtained using Czochralski or floating zone method and their spectroscopic properties were investigated (absorption and emission cross sections, fluorescence lifetime, …). Laser emissions in the deep red (726 nm), red (640 nm) and orange (620 nm) domains were obtained using Pr:ASL crystals with good optical quality.The optimisation of the growth parameters of CBF with LiF flux allows to obtain transparent crystal with only few inclusions. New fluxes for CBF growth were also studied such as SrF2.Two systems were investigated for the YAB growth: one based on lanthanum borate LaB3O6 and another based on Li2WO4. Several good quality crystals were obtained with this flux using TSSG method

Une source laser impulsionnelle émettant à 1. 34 μm est associée à des cristaux convertisseurs de fréquence pour générer les rayonnements rouge (λ= 0. 67 m) et bleu (λ= 0. 447 m). Superposés à un rayonnement laser vert produit par un Nd : YAG double en fréquence, ils permettent de réaliser l'hologramme en couleurs réelles d'un objet en mouvement. Des tests holographiques ont validé la bonne cohérence de ces rayonnements, et la bonne sensibilité spectrale des plaques holographiques. La source à 1. 34 μm est constituée d'un oscillateur et de trois amplificateurs Nd : YAP. Elle émet des impulsions de 50 ns de durée à mi-hauteur et de 300 mJ d'énergie. La largeur spectrale est de 250 MHz. Le faisceau est monomode transverse. Nd:YAP est choisi pour sa forte section efficace d'émission stimulée et ses bonnes propriétés thermiques, mécaniques et optiques. Le rayonnement rouge est généré par doublement de fréquence du rayonnement fondamental à 1. 34 m. Par accord de phase angulaire non critique de type I dans un cristal de LBO, les rendements de génération de second harmonique obtenus (67%) sont nettement supérieurs a ceux réalisés dans KTP (52. 5%), RTA (55. 4%) et dans KTP en compensation de walk-off (57%). Le rayonnement bleu est généré par somme de fréquence d'une fraction du rayonnement rouge et du fondamental. En accord de phase angulaire critique de type II, KTP est plus efficace que LBO : le rendement de conversion de tierce harmonique est de 27% dans KTP et 13% dans LBO. Ce rendement est optimum si le rendement de SHG est de 50%, et si le rapport des énergies (rouge/fondamental) est égal a 2/1. Pour 300 mJ d'energie a 1. 34 m, nous obtenons 90 mJ de rouge et 25 mJ de bleu. Nous proposons une optimisation de la chaine d'amplification de la source à 1. 34 μm pour produire 1 J à cette longueur d’onde, ce qui permettra de générer 250 mJ de rouge et 100 mJ de bleu.

Le traitement de l'information quantique, en particulier celui utilisant les centres colorés du diamant et la manipulation cohérente des ions de terre rare incorporés dans des matrices solides (Pr3+, Eu3+) et la spectroscopie à ultra-haute résolution, nécessitent des sources accordables ayant une faible largeur de raie. Or, dans la gamme rouge-orange (570-635 nm) où les diodes lasers font défaut et les lasers solides restent très peu développés, les lasers à colorants sont actuellement les seules sources de rayonnement cohérent disponibles. En revanche, ce type de laser est assez complexe et difficile à stabiliser au niveau du kHz à cause des bruits à haute fréquence générés par le jet de colorant.Pour répondre aux besoins des expériences citées ci-dessus, cette thèse vise à proposer une alternative "tout solide" aux lasers à colorants en explorant différentes possibilités pour la construction d'une source stable émettant dans l'orange-rouge. Dans ce but, nous avons proposé deux solutions:1. La première consiste à développer des oscillateurs paramétriques optiques. Dans cette voie, nous avons développé un OPO simplement résonant à doublage de fréquence intra-cavité et stabilisé en frequence au niveau du kHz.2. La deuxième consiste en un laser à base de fluorures dopés au Pr3+pompé par diode.

L’objectif de cette thèse est l’étude de matériaux oxydes pour le développement de lasers solides, émettant en particulier dans le domaine visible. Nous nous sommes intéressés à des matériaux monocristallins et à des céramiques transparentes. Des ions Pr3+ ont été envisagés comme dopants en raison de leurs niveaux d’énergie adaptés pour des émissions directes (bleu, vert, orange, rouge et rouge foncé). En outre, des ions Nd3+ émettant dans le proche infrarouge, autour de 0.9 μm, ont été utilisés comme dopants afin de générer un laser bleu par un processus de conversion de fréquence. Nous avons ainsi préparé des matrices oxydes sous forme polycristalline pour des mesures de spectroscopie optique permettant de sélectionner les meilleurs matériaux. Des matrices d’oxyde à fusion congruente étudiées correspondent aux différentes familles comme suit : hexa-aluminate, mélilite, germanate, tungstate et sesquioxide. Les cristaux ont été élaborés par la méthode de Czochralski. En plus, certains matériaux cubiques a haut point de fusion comme Nd:Y2O3 et Nd:Y3Al5O12 ont été étudiés sous forme de céramiques transparentes de type classique ou composite. Nous avons ensuite caractérisé les propriétés physiques, optiques et spectroscopiques. Finalement, des émissions lasers dans le visible ont été démontrées en régime continu dans une cavité résonante de type plan-concave ou déplié (V). Pour les matériaux dopés Nd3+ et dopés Pr3+, nous avons obtenu l’effet lasers dans le visible avec les efficacités satisfaisantes. Les matériaux monocristallins: Pr:Sr1-xLaxAl12-xO19 et céramique composite Nd:Y3Al5O12 présentent un potentiel important pour le développement de lasers dans le domaine visible
This thesis is aimed to find efficient oxide based solid-state materials for the development of lasers, particularly in visible spectral regions. We focused on Pr3+ and Nd3+ luminescent ions, doped in oxide-based hosts. Pr3+ ions are suitable for direct visible emissions in various regions, whereas the emission of Nd3+ ions in near infrared around 0.9 μm can be converted into blue laser by Second Harmonic Generation. A large-covered visible region could be expected in the range of 450 nm – 750 nm. First, we selected appropriate oxide hosts by using optical spectroscopy tools. All selected materials with congruent melting behavior were grown as single crystal. On the other hand, cubic materials with very high melting point, Nd:Y2O3 and Nd:Y3Al5O12, were prepared as standard and micro-core composite transparent ceramics, respectively. Next, all samples were thoroughly investigated in terms of physical, optical and spectroscopic properties. In the meantime, Judd-Ofelt analysis were computationally performed by using ground state absorption data to calculate radiative properties of studied solid-state materials, including radiative lifetime and branching ratio. Finally, laser operations were carried out within a plane-concave or V-type resonant cavity under blue and near infrared pumping for Pr3+ and Nd3+ solid-state materials, respectively. We achieved visible lasers in the relevant range with satisfying efficiencies with Pr:Sr1-xLaxAl12-xO19 single crystal and Nd:Y3Al5O12 micro-core transparent ceramic. Both present a real potential for the development of laser emissions in visible spectral regions

Cette thèse principalement théorique se situe dans le cadre de l'utilisation du laser de la Salle Noire du LOA, qui fournit des impulsions ultracourtes (2 cycles optiques) et énergétiques (1mJ) à 1kHz, stabilisées en CEP, pour générer des harmoniques sur cible solide. D'une part, pour profiter pleinement des ressources du laser, j'ai développé un code de simulation de propagation dans une fibre creuse qui, associé à une analyse expérimentale, a permis de repousser la limite en énergie de cette technique de compression. J'ai d'autre part utilisé des simulations PIC et j'ai développé un modèle de simulation de l'émission CWE pour quantifier sa dépendance aux conditions laser et plasma. Ce travail a servi premièrement à expliquer la variation expérimentale du spectre CWE à la CEP de l'impulsion laser. Deuxièmement, à partir d'une étude paramétrique expérimentale des spectres CWE, de remonter à des informations sur le plasma tels que le gradient de densité et la température électronique.

Cette thèse principalement théorique se situe dans le cadre de l'utilisation du laser de la Salle Noire du LOA, qui fournit des impulsions ultracourtes (2 cycles optiques) et énergétiques (1mJ) à 1kHz, stabilisées en CEP, pour générer des harmoniques sur cible solide. D'une part, pour profiter pleinement des ressources du laser, j'ai développé un code de simulation de propagation dans une fibre creuse qui, associé à une analyse expérimentale, a permis de repousser la limite en énergie de cette technique de compression. J'ai d'autre part utilisé des simulations PIC et j'ai développé un modèle de simulation de l'émission CWE pour quantifier sa dépendance aux conditions laser et plasma. Ce travail a servi premièrement à expliquer la variation expérimentale du spectre CWE à la CEP de l'impulsion laser. Deuxièmement, à partir d'une étude paramétrique expérimentale des spectres CWE, de remonter à des informations sur le plasma tels que le gradient de densité et la température électronique
This mainly theoretical PhD thesis has been done in the framework of high-order harmonics generation on solid targets using 1mJ ultrashort laser pulses (2 optical cycles) at high repetition rate (1kHz), CEP-stabilized. On the one hand, in order to fully use the laser source, I developed a simulation code of hollow-core fiber propagation. The results of this code, associated with an experimental study, allowed to push the energy limitation of this compression technique. On the other hand, I used PIC simulation and I developed a simulation model of CWE in order to quantify its dependence to the laser and plasma parameters. This work first helped to explain the CWE spectrum changes with pulse CEP. Second, by comparing theoretical results with an experimental parametric study, it provided information about the plasma conditions such as density gradient and electronic temperature

Cette these est consacree a l'etude theorique et experimentale d'un oscillateur parametrique optique (opo) femtoseconde dans le visible, son amplification parametrique et son application dans une experience de diffusion raman anti-stokes coherente (drasc) resolue en temps. L'opo, base sur un cristal de bbo, est pompe par le second harmonique d'un laser ti:saphir, a 400 nm, genere lui aussi dans un cristal de bbo. Les impulsions qu'il emet, accordables entre 570 nm et 700 nm, ont une energie de l'ordre du nj et se repetent a la cadence de repetition de 82 mhz. En fonctionnement normal leur duree s'eleve a 200 fs environ mais l'introduction d'une paire de prismes en silice fondue dans la cavite la fait diminuer jusqu'a moins de 20 fs (limite atteinte: 13 fs). Meme sans les prismes, pour certaines longueurs d'onde et orientations du bbo la duree des impulsions devient tres breve a la suite d'effets du second ordre en cascade. L'interpretation des resultats experimentaux s'appuie sur des simulations numeriques qui permettent aussi de completer l'etude de l'opo, en variant des parametres difficiles a modifier experimentalement. Grace a leur amplification dans un amplificateur parametrique optique base sur un cristal de bbo et pompe par le second harmonique d'une fraction du faisceau emis par un amplificateur regeneratif a ti:saphir, les impulsions atteignent une energie de l'ordre de 1000 nj, tout en ayant une duree tres breve (100 fs). Une experience de drasc resolue en temps a permis de mesurer le temps de decroissance t#2 du mode nu-2 de l'acetone sur plusieurs ordres de grandeur, avec une resolution temporelle d'environ 50 fs, ce qui montre les potentialites de la source developpee dans cette these

L'objet de cette thèse est l'étude de la propagation des impulsions laser femtosecondes dans les solides transparents. La courte durée de ces impulsions (quelques 10-̂15 à quelques 10-̂13 s) fournit de hautes intensités lumineuses pour des énergies modestes. Lorsqu'elles traversent un milieu transparent, ces fortes intensités laser induisent des non-linéarités importantes qui affectent la propagation de l'impulsion. Ces non-linéarités peuvent conduire à une propagation auto-guidée des impulsions laser avec de hautes intensités sur de longues distances. Cette propagation est appelée filamentation laser. En focalisant des impulsions de 2 mJ, 160 fs et de longueur d'onde centrale 800 nm, j'ai formé une filamentation laser dans un échantillon de silice de 2 cm. L'étude expérimentale de cette propagation non-linéaire est la première caractérisation précise et complète d'un filament dans un milieu solide transparent. La comparaison des résultats expérimentaux à ceux d'un code numérique a permis de montrer que la filamentation laser peut avoir lieu dans les milieux solides de la même manière que dans les gaz. L'équilibre entre l'autofocalisation par effet Kerr et la défocalisation par le plasma est l'origine de la filamentation. La défocalisation limite l'intensité laser et évite l'endommagement de l'échantillon. Cette étroite relation entre propagation et endommagement m'a amené à considérer la propagation d'impulsions plus fortement focalisées à l'intérieur de la silice. Ce type de propagation conduit à des densités électroniques élevées qui induisent des dommages irréversibles. Le parallèle entre les résultats numériques et expérimentaux permet de préciser les conditions d'apparition des dommages tout en donnant des quantités physiques inaccessibles expérimentalement. J'ai aussi observé dans la silice un nouveau type de modifications avec une forte biréfringence. Comme application j'ai fabriqué des éléments optiques comme des guides d'onde et des réseaux de diffraction
The subject of this thesis is the study of the propagation of femtosecond laser pulses in transparent solids. The short duration of these pulses (a few 10^-15 to a few 10^-13 s) supplies high light intensities with modest energies. When they traverse a transparent medium, theses strong laser intensities induce important nonlinearities which affect the pulse propagation. These nonlinearities can lead to a self-guided propagation with high intensities on long distances. This propagation is called laser filamentation. By focusing pulse of 2 mJ, 160 fs and with 800 nm as central wavelength, I have induced a laser filamentation in a 2 cm thick fused silica sample. The experimental study of this nonlinear propagation is the first precise and complete characterization of a filament in a transparent solid medium. Comparison between experimental and numerical results given by numerical code permits to show that laser filamentation can take place in solid, media in the same way as in gases. Equilibrium between self-focusing due to Kerr effect and defocusing by the plasma is the origin of filamentation. Defocusing limits the laser intensity and avoids sample damaging. This close relation between propagation and damaging led me to consider more strongly focused pulses propagation inside fused silica. This type of propagation leads to high electronic densities that induce irreversible damages. Comparison between numerical and experimental results permits to precise the conditions for damages appearance while giving experimentally inaccessible physical quantities. I have also observed in fused silica a new type of modifications with a strong birefringence. As an application I have made optical elements like waveguides and diffraction gratings

La fibre optique tend à remplacer le câble coaxial dans de nombreux systèmes de transport et de traitement de signaux hyperfréquence. En particulier les générations futures de systèmes radar seront équipées de laisons opto-électroniques utilisant ainsi avec profit les avantages de la fibre optique (faibles pertes, poids, encombrement et coût et large bande-passante). Dans ces futurs systèmes radar, la transposition linéaire de l'information hyperfréquence sur porteuse optique avec des modulateurs d'intensité intégrés classiques (type mach-zehnder) est limitée en amplitude. Le signal optique résultant comporte donc une faible partie modulée contenant l'information hyperfréquence et une forte composante continue susceptible de saturer certains composants de la liaison opto-électronique. Dans ce travail nous avons étudié deux processus non-linéaires dans les fibres optiques permettant d'atténuer de faÇon sélective et dynamique uniquement la porteuse optique du signal et non l'information hyperfréquence qu'elle transporte. Cela revient à augmenter le contraste du signal, c'est-à-dire sa profondeur de modulation. Le premier effet étudié est la diffusion brillouin stimulée dans les fibres optiques (y compris dans les fibres optiques à cristaux photoniques). Le second effet étudié est le mélange à deux ondes par saturation du gain dans une fibre optique amplificatrice. La faisabilité de l'augmentation de profondeur de modulation du signal hyperfréquene sur porteuse optique par ces deux techniques respectivement a été démontrée. Une augmentation de la profondeur de modulation du signal d'un facteur 10 000 a été démontrée, sans dégradation du signal hyperfrequence
Optical fibres tend to replace coaxial cables in many systems of transport and processing of microwave signals. In particular, future generations of radar systems will be equipped with opto-electronic links thus using with profit the advantages of optical fibres (weak weight, size, cost and large bandwidth). In these future radar systems, the linear transposition of microwave information on optical carrier with traditional integrated intensity modulators (such as mach-zehnder) is amplitude-limited. The resulting signal is thus composed of a weak modulated part containing the microwave information and of a strong continuous component which can saturate some of the opto-electronic link components. In this work we studied two non-linear processes in optical fibres allowing selective and dynamic attenuation of the optical carrier only, without any attenuation of the microwave signal. This means an increase of the signal contrast, that is to say an increase of its modulation depth. The first studied effect is stimulated brillouin scattering in optical fibres (including in photonic crystal fibres). The second studied effect is two wave mixing by gain saturation in an amplifying optical fibre. The feasibility of modulation depth increase of the microwave signal by these two techniques respectively has been proven. An increase of the modulation depth of the signal by a factor 10 000 has been demonstrated

La dynamique des lasers à semi-conducteur avec rétroaction optique est le sujet de cette thèse. En particulier, nous analysons l'instabilité à l'origine des fluctuations à basse fréquence de l'intensité du laser (Low Frequency Fluctuations, LFFs) qui apparaissent pour une rétroaction modérée à forte.

Nous étudions la nature dynamique des fluctuations à basse fréquence au moyen de techniques des mesures particulières. Nous prouvons que les LFFs trouvent leur origine dans une bifurcation noeud - col d'Andronov anticipée par le bruit présent dans le système. Nous démontrons expérimentalement que, en accord avec ce type de bifurcation, le laser à semi-conducteur avec rétroaction optique répond aux perturbations comme un système excitable. Ceci constitue la première preuve d'excitabilité dans un système optique. Corollairement, le contrôle du niveau de bruit dans le système nous permet de réaliser la première observation du phénomène de Coherence Resonance.
Nous avons aussi obtenu de fortes indications sur le mécanisme physique à l'origine de l'instabilité des fluctuations à basse fréquence. L'analyse de l'évolution temporelle du spectre optique à des échelles inférieures à la nanoseconde nous permet de montrer que cette instabilité est générée par l'interaction entre différents modes du laser.
Enfin, nous nous sommes placés dans le cas expérimental où la rétroaction optique est sélective en fréquence, analysant ainsi les caractéristiques du système par la variation de cette fréquence.

L'influence de la rétroaction sur un laser a aussi été étudiée pour des lasers à cavité verticale (VCSELs) dont le fonctionnement monomode longitudinal est imposé par la séparation en fréquence entre les modes. Pourtant, nous observons une fluctuation à basse fréquence dans l'intensité émise par le système. Nous montrons que, dans ce cas, l'instabilité est liée à l'interaction entre les deux composants de polarisation du VCSEL.