Nouveaux cristaux dopés Yb et nouvelles architectures laser pour le développement d’une chaîne laser femtoseconde de très forte puissance – FEMTOCRYBLE

Les lasers femtoseconde pompés par diode délivrant des impulsions de forte énergie font actuellement l’objet d’une recherche intense et compétitive. De nombreux laboratoires dans le monde envisagent l’utilisation de matériaux dopés ytterbium. En effet, il est admis que les cristaux dopés ytterbium sont la solution la plus prometteuse pour construire des lasers à fort taux de répétition et haute énergie. Depuis une dizaine d’années le développement de lasers basés sur ces matériaux est donc l’une des voies les plus actives dans ce domaine, et ces lasers ont encore un énorme potentiel pour la réalisation de sources femtoseconde pompées par diode de haute puissance. Cela est rendu possible par la structure électronique très simple de l’ytterbium, qui se traduit par une grande efficacité de pompage, des charges thermiques faibles, et des bandes d’émission larges permettant la génération d’impulsions très courtes. Puisque les performances lasers des matériaux ytterbium sont très corrélées aux propriétés du cristal hôte, les recherches se concentrent également sur la croissance de cristaux pour améliorer l’efficacité, la puissance moyenne, et la durée des impulsions.
Jusqu’à maintenant les travaux ont été presque exclusivement conduits sur le cristal Yb :YAG, qui possède d’assez bonnes propriétés. En effet, les autres cristaux permettant la génération d’impulsions plus courtes (comme Yb :KYW) sont limités en terme de propriétés thermiques, rendant difficile la génération de puissances élevées.
De plus, les deux aspects de gestion thermique et d’efficacité devraient être approchés simultanément pour concevoir des sources de haute puissance. Les deux architectures envisagées à l’heure actuelle pour répondre à ce problème sont le refroidissement cryogénique et la géométrie de disque mince. Le principal inconvénient de l’Yb :YAG est l’impossibilité de générer des impulsions sub-picoseconde. Il y a donc un grand intérêt à développer de nouveaux cristaux dopés ytterbium compatible les deux architectures.
Les laboratoires français sont depuis quelques années pionniers dans le développement de tels cristaux. Cette position est due à une forte collaboration entre deux laboratoires experts en science des matériaux (CIMAP, LCMCP) et une équipe spécialisée dans les lasers à impulsions ultra-brèves pompés par diode (LCFIO). Les travaux de ces partenaires ont déjà menés à des résultats très spectaculaires en utilisant deux cristaux innovants : le record de durée d’impulsion avec le cristal Yb :CALGO, et la première démonstration de fonctionnement laser et de génération d’impulsions ultra-brèves avec le cristal Yb :CaF2, lequel peut être développé tant sous la forme de cristaux massifs de très grande dimension qu’en couches minces. Ce dernier résultat est si prometteur que le projet européen POLARIS (Allemagne) a changé d’orientation pour prendre en compte cette technologie.
Né anmoins, les travaux sur les cristaux Yb:CALGO et Yb:CaF2 sont pour l’instant limités à des oscillateurs et amplificateurs d’énergie et de puissance moyenne relativement réduites. Un effort important doit maintenant être fait pour étendre leur champ d’application aux amplificateurs de très forte énergie fonctionnant à des taux de répétition élevés.
Ce projet a pour ambition de confirmer le fort potentiel de ces cristaux en les utilisant dans des architectures lasers optimisées pour la forte puissance moyenne que sont le refroidissement cryogénique et la géométrie disque mince. Nous allons donc développer une chaine laser efficace, de forte puissance moyenne, tout en générant des impulsions ultrabrèves (100 fs, 100 W moyens, énergie mJ), ce qui représentera une amélioration d’un ordre de grandeur par rapport aux systèmes existants.