Crystalasfiber — Nouvelle génération de fibres monocristallines pour la conception de sources laser

Les lasers solides pompés par diode et dopés Nd3+ sont très bien adaptés à l’obtention de fortes puissances d’émission dans le proche infra-rouge lorsqu’ils opèrent selon la transition 4F3/2 – 4I11/2 (laser quatre niveaux vers 1030-1080 nm) ou la transition 4F3/2 – 4I9/2 (laser quasi-trois niveaux vers 900-950 nm). Cette émission laser peut ensuite être convertie en longueur d'ondes vertes ou bleues puis dans l’UV grâce à des procédés de doublage de fréquence. Cependant la gestion de la charge thermique en fonctionnement laser reste un obstacle à la montée en puissance : il peut être franchi par la mise en forme particulière des cristaux en fibres, couplée à leur mise en oeuvre dans des modules adaptés. Le procédé d’élaboration des fibres cristallines par µ-pulling down (µ-PD) est alors particulièrement bien adapté : il est direct, rapide et peu coûteux comparativement à des méthodes d’élaboration de cristaux massifs. Cependant, pour l’application visée, seul le YAG : Nd3+ est disponible commercialement sous forme de fibre. Les fibres de YAG : Nd3+ sont effectivement élaborées par µ-PD et elles peuvent être montées dans des modules dédiés, en particulier développés par l'entreprise partenaire Fibercryst, qui ont fait la démonstration de l’intérêt de cette technologie de mise en forme pour les performances laser. Cependant, le YAG : Nd3+ présente quelques inconvénients comme un coefficient de ségrégation défavorable de l’ion Nd3+ ne facilitant pas l’obtention de fibres cristallines homogènes, un stockage d'énergie dans le niveau émetteur limité par un temps de vie moyen, et une sensibilité aux pertes laser par effet de dépolarisation en raison de sa structure cubique. Le projet CRYSTALASFIBER se propose de développer une nouvelle génération alternative de fibres cristallines basée sur l’ASL : Nd (Sr1-xNdyLax-yMgxAl12-xO19) palliant certaines limitations du YAG : Nd3+. Cette famille de matériaux est facile à élaborer sous forme massive (méthode Czochralski), elle témoigne d’une ségrégation de l’ion Nd3+ assez idéale, elle est non cubique, et elle présente un temps de vie de fluorescence élevé (meilleur stockage d'énergie en régime laser pulsé) ainsi que des propriétés spectroscopiques très favorables, en particulier pour l’émission selon la transition 4F3/2 – 4I9/2. Préparée à l’état massif, des performances lasers prometteuses ont déjà été obtenues en démontrant une émission laser à 1053 nm et 900 nm, mais seulement en régime continu et les puissances sont restées légèrement limitées à cause d’effets thermiques qui pourraient être mieux gérés en exploitant la géométrie d’une fibre cristalline. Préalablement, un premier test de croissance de l’ASL par µ-PD a été démontré pour justifier la faisabilité de ce projet. Ainsi, ce projet vise à explorer et à tester le champ de composition offert par l’ASL : Nd pour développer son élaboration directe sous forme de fibre cristalline par la technique de µ-PD. La finalité de ce projet est l’adaptation et l'intégration de ces nouvelles fibres cristallines dans des modules laser à vocation commerciale pour en tester les performances laser, en particulier en régime pulsé pour l'obtention de fortes énergies à taux de répétition modéré. Il est à noter que cette technologie de module laser est maîtrisée par le partenaire industriel de ce projet et qu’elle a fait ses preuves récemment, en particulier dans le cas du YAG. Le consortium implique 3 partenaires académiques (IRCP, ILM, LCF) et un industriel (Fibercryst), avec comme objectif d’offrir à terme de nouvelles opportunités industrielles et commerciales. CRYSTALASFIBER est ainsi un projet pluridisciplinaire de 3 ans mêlant des compétences complémentaires en science des matériaux, croissance cristalline, transfert de technologie, spectroscopie et tests lasers.