Généralités sur les lasers ytterbium

Démarrer par une « introduction générale » qui pose les fondations d’un domaine précis (en l’occurrence ici les lasers ytterbium) est forcément un exercice qui devient, au fil des années, de plus en plus périlleux : comment en effet ne pas répéter ce que d’autres ont déjà (mieux) écrit avant vous ? Mais c’est aussi, pour la même raison, un « passage obligé » qui le devient de moins en moins. Le chapitre de généralités qui suit n’a donc aucune prétention à l’exhaustivité, et encore moins à l’originalité. Les principales propriétés des systèmes laser à base de matériaux dopés à l’ytterbium ont d’ailleurs été signalées dans l’introduction qui précède cette première partie. Pour une approche générale du sujet, j’invite le lecteur à se reporter à l’un des nombreux articles de synthèse publiés par les « grands noms » du domaine. Citons par exemple [DeLoach 93], [Fan 96], [Hanna 99], [Sumida 99] et [Krupke 00]. Le lecteur qui souhaitera aller davantage dans le détail lira avec beaucoup de profit les thèses de Romain Gaumé [Gaumé 02] et d’Antoine Courjaud [Courjaud 01]. À elles deux (ce choix n’engage bien sûr que moi), ces thèses brossent un tableau vraiment complet, et en français, des propriétés des lasers ytterbium : celle de R. Gaumé insiste sur le côté « matériaux », en expliquant l’origine physique des niveaux d’énergie et les problèmes que pose la substitution d’ions lanthanide par l’ytterbium. Elle vient compléter la discussion très nourrie d’A. Courjaud sur les propriétés laser en pompage par diode. Les références à ces deux thèses sont nombreuses dans ce manuscrit, et sont là pour inciter le lecteur désirant approfondir le sujet à se plonger dans ces thèses avant d’aller chercher des articles plus spécialisés sur chaque sujet. Nous approfondirons dans ce chapitre certains aspects qui se retrouveront au cœur de toute cette étude. Nous nous pencherons d’abord sur les matériaux dopés à l’ytterbium, en expliquant en particulier pourquoi certains d’entre eux ont des spectres larges, et en quoi consistent exactement les phénomènes parasites qui peuvent se manifester. C’est un problème qui nous intéresse particulièrement parce qu’il est en relation avec les effets thermiques, comme on le verra dans la deuxième partie de ce mémoire. Nous verrons ensuite deux propriétés originales des lasers ytterbium : la réabsorption et la saturation de l’absorption.

Nous allons évoquer ici quelques propriétés des cristaux dopés à l’ytterbium, avec un regard orienté « matériaux ». L’aspect « système » (en fonctionnement laser) fera l’objet du paragraphe suivant. Cette partie est volontairement extrêmement simplifiée, à la limite de la vulgarisation : c’est de la chimie du solide telle que je l’ai comprise en tant que « physicien » partant d’un faible niveau de connaissances sur le sujet. L’ion Yb3+, lorsqu’il est isolé, possède seulement deux niveaux d’énergie accessibles dans le domaine optique, attribuables à l’interaction spin-orbite 1 . Ces deux niveaux sont séparés 000 cm-1. A priori, rien ne destine l’ytterbium à servir d’ ion actif pour des applications laser car 1) on n’a jamais fait de laser à deux niveaux… et 2) les deux niveaux en question étant de même parité, la transition est interdite ! Pour aller plus loin, il faut examiner ce qui se passe quand l’ion est inséré dans une matrice cristalline. Pour obtenir un solide dopé à l’ytterbium, on choisit un cristal qui comporte un ou plusieurs cations dont la taille est voisine de celle de l’ytterbium : les ions facilement « substituables » sont Lu3+, Y3+, Gd3+, Sc3+, La3+, Tl3+ ; Bi3+ , Cd2+, Ca2+, Sr2+, Th4+ [Gaumé 02]. On ne peut donc pas mettre de l’ytterbium dans n’importe quel cristal. Le champ cristallin (le champ électrique « vu » par l’ion Ytterbium lorsqu’il occupe la place d’un ion dans la matrice cristalline) provoque une levée de dégénérescence des niveaux, en vertu de l’effet Stark : le niveau fondamental 2F7/2 se scinde en 4 sous-niveaux, et le niveau excité 2F5/2 en trois sous-niveaux. Le fonctionnement laser devient alors possible : la transition optique perd partiellement son caractère interdit. Le laser fonctionne alors selon un schéma de type « quasi-trois niveaux »2. La position de ces niveaux d’énergie est représentée, pour le cristal d’Yb:Ca4GdO(BO3)3 (Yb:GdCOB) dans l’encadré intitulé « Le peuplement thermique ». Mais l’existence de sept niveaux discrets ― comme représentés à la figure I.1.1 (schéma du milieu) ― n’est une réalité qu’à très basse température. À température ambiante, il faut tenir compte