Détermination des paramètres thermiques des cristaux laser

Détermination des paramètres thermiques des cristaux laser

La thermographie, possible avec une caméra thermique IR, offre la possibilité non seulement de mesurer la conductivité thermique mais aussi de quantifier toutes les sources de chaleur, en mettant une valeur sur chaque rendement thermique défini précédemment. Par contre, la mesure de la puissance dioptrique donne une information directe sur la nature même de la lentille thermique, à savoir si elle est divergente ou convergente. Elle permet également de confirmer l’expression trouvée pour la focale de la lentille thermique. Ensuite, l’association des cartographies thermiques et des mesures de la puissance dioptrique permet une estimation du coefficient thermo-optique des cristaux laser étudiés. Il s’agit, à ma connaissance, de la première démonstration de mesure in situ du coefficient thermo-optique pour des cristaux laser dopés ytterbium. Dans un premier temps, nous présenterons les résultats obtenus pour les cristaux Yb:CALGO, Yb:CaF2 et Yb:SrF2 ayant tous une épaisseur de 4 mm pour les mesures de la lentille thermique. Ensuite, nous présenterons le calcul des différents rendements thermiques et la vérification des valeurs de conductivité thermique estimées précédemment dans le chapitre 1 grâce aux thermographies pour les cristaux de fluorures. L’association avec la mesure de la lentille thermique nous permettra de calculer les coefficients thermo-optiques pour les fluorures et les comparer avec la littérature. Finalement, une étude des gradients thermiques avec et sans effet laser pour le cristal laser Yb:CALGO nous permettra de faire une comparaison de propriétés thermiques entre les trois cristaux laser. Encadré 2.7 : Quelques remarques au sujet des fluorures Les fluorures CaF2, SrF2 ainsi que le BaF2 sont connus pour leur large transmission qui va de l’UV jusqu’à des longueurs d’onde de 11 µm. Cette transparence entre 8-11 µm remet en doute la validité des hypothèses énoncées sur la cartographie thermique de la face d’entrée. Cependant, les cristaux laser étudiés thermiquement sont fortement dopés avec des dopages proches de 3 % en ions ytterbium. Ce fort dopage rend les fluorures fortement absorbants dans la bande de fonctionnement de la caméra thermique IR choisie. En effet, expérimentalement, nous avons mesuré une transmission résiduelle de 5 % pour un cristal Yb:CaF2 dopé à 2,6 % en ions ytterbium d’épaisseur de 0,5 mm avec une source de chaleur d’environ 200° C. Nous pouvons alors considérer que les cartographies thermiques représentent la face pompée du cristal laser.

Pour mesurer les aberrations thermiques, il faut faire une décomposition sur les polynômes de Zernike. Sur la Figure 2.24, sont représentées la focale et les aberrations de la lentille thermique mesurées avec effet laser pour les cristaux Yb:SrF2, Yb:CaF2 et Yb:CALGO pour une puissance incidente de 47, 83 et 86 W respectivement. Les aberrations pertinentes de la lentille thermique sont les astigmatismes à 0 et 45° et l’aberration sphérique du 3ème ordre. L’absence d’aberration sphérique du 3ème ordre pour les fluorures signifie que les faisceaux de pompe et de sonde ont la même taille sur le cristal et que le profil de la pompe est « top-hat » (partie 2.4.3.2). Pour le cristal Yb:SrF2, les aberrations de la lentille thermique sont négligeables par rapport à la focale de la lentille thermique. La lentille thermique n’est donc pas aberrante et il sera Pour le cristal Yb:CaF2, contrairement à l’astigmatisme à 45°, l’astigmatisme à 0° est non négligeable. Cet astigmatisme est peut être dû à un refroidissement inhomogène suivant les deux axes ou à l’apparition d’une anisotropie entre les propriétés thermomécaniques et  Les puissances dioptriques en fonction de la puissance incidente sont représentées Figure 2.25 pour les trois cristaux laser dopés ytterbium choisis. La première différence notable est la mesure de puissances dioptriques positives pour le cristal laser Yb:CALGO et négatives pour les cristaux laser Yb:CaF2 et Yb:SrF2. Cette constatation prouve que la lentille thermique du cristal Yb:CALGO est une lentille convergente et que les cristaux de fluorures se comportent comme des lentilles divergentes lors de forts pompages.