Etude des propriétés thermiques des cristaux Yb CALGO et Yb fluorures

Qui dit lasers de forte puissance moyenne dit fortes puissances de pompe. Une augmentation de la puissance de pompe est synonyme d’échauffement du cristal laser et entraine en conséquence des effets thermiques au sein de ce cristal. Ces effets thermiques inévitables et non souhaités entraînent des gradients de température donc de l’indice de réfraction dans le matériau laser (lentille thermique) et peuvent être responsables d’une baisse de l’efficacité laser, de la déformation du faisceau laser (d’un faisceau monomode en un faisceau multimode, Figure 2.1), de la perte de l’oscillation et, dans le pire des cas, de la fracture du cristal laser.  Une étude des propriétés thermiques des cristaux laser est donc fondamentale pour éviter la fracture du cristal laser. La prochaine étape dans le développement de nouvelles sources laser femtosecondes est une compréhension et surtout une quantification des différentes sources de chaleur et de leurs conséquences dans le cas des cristaux laser choisis précédemment. Une des conséquences mesurables de cet échauffement est ce que l’on appelle la lentille thermique. L’échauffement du cristal va l’obliger à se comporter comme une lentille qui peut aisément déstabiliser la cavité laser et/ou changer radicalement le mode du faisceau laser. Plusieurs questions nous viennent alors à l’esprit : comment quantifier ces sources de chaleur ? Quelles sont leurs origines physiques et surtout les conséquences de ces effets thermiques ? Comment un cristal laser soumis à un fort pompage peut-il se comporter comme une lentille ? Objectif de ce chapitre Dans un premier temps, nous nous focaliserons sur un bref état de l’art des différentes études thermiques qui ont déjà réalisées mais également celles effectuées au sein de notre équipe. Ce succinct état de l’art permettra alors de présenter le contexte de la réalisation du banc de caractérisation thermique. Ensuite, les origines des sources de chaleur ainsi que leurs quantifications et conséquences seront expliquées. Puis nous présenterons le banc complet de caractérisation thermique qui nous a permis l’étude des trois cristaux laser choisis précédemment. Grâce à ce banc d’étude thermique, nous avons non seulement eu la possibilité in situ de mesurer des propriétés thermiques mais également de déterminer une valeur pour la conductivité thermique des fluorures dopés ytterbium, mal connue jusqu’alors. Finalement, cette étude thermique nous permettra une rapide comparaison entre ces différents cristaux.

sur les sources de chaleur dans les cristaux laser

Un des paramètres utiles pour quantifier la chaleur déposée par la pompe dans le cristal laser est la fraction thermique. La fraction thermique est la proportion de puissance optique absorbée perdue sous forme de chaleur. La fraction thermique sera détaillée ultérieurement. Ce formalisme fut introduit par Fan [Fan 93], et nous servira comme théorie de base dans notre étude. De plus, de nombreux travaux se sont concentrés sur l’évolution de la fraction thermique en présence d’effet laser ou non [Blows 98]. Pourtant, peu d’expériences ont été réalisées sur la répartition de la chaleur au sein du cristal lors d’un pompage par diode laser. Cette distribution de la chaleur étant inhomogène, les sondes thermiques ne peuvent pas être utilisées pour mesurer de manière exhaustive cette répartition de la chaleur. En 1970, Koechner s’est intéressé aux études thermiques et à la distribution de chaleur dans des barreaux de Nd:YAG pompés par lampes à arc. Malheureusement, ce sont des mesures indirectes et son étude ne peut s’appliquer à notre système de pompage longitudinal par diode laser [Koechner 70]. Une autre expérience intéressante a consisté en une mesure de diffusivité thermique via une cartographie thermique de cristaux chauffés par une impulsion d’un laser à Argon [Bisson 00]. Cependant un travail récent a attiré notre attention puisqu’il s’intéresse à la dépendance des effets thermiques avec le dopage et de la longueur d’onde d’émission laser dans des cristaux laser Nd:YAG grâce à une cartographie thermique [Pavel 06]. Contrairement aux expériences de caractérisation des propriétés thermiques, il existe une multitude d’exemples d’études thermiques théoriques. Une étude théorique généralisée a été développée par Farruk [Farruck 88]. Cette étude est applicable quelle que soit la configuration de pompe. En 1992, Cousins a publié une étude thermique de très grande qualité sur les barreaux pompés longitudinalement [Cousins 92]. De plus en parallèle, la technologie grandissante des ordinateurs ont permis le développement de calculs numériques par éléments finis (ou « FEA » en anglais) de la distribution de la température tels que le logiciel de LASCAD [Site LASCAD].