Exploring femtosecond laser processing of transparent media for novel laser components

L’inscription par laser femtoseconde directe dans les cristaux laser offre une nouvelle opportunité de conception et développement de sources laser intégrées. Elle conduit à un prototypage rapide et à un bon rapport coût-efficacité, conformément aux futures feuilles de route de la photonique. Cependant, les défis liés au dépôt d’énergie d’un laser intense dans des milieux transparents et les modifications qui s’ensuivent restent encore des questions ouvertes. Ces défis ont été relevés en partie grâce à une étude minutieuse et systématique des zones modifiées par laser femtoseconde dans les matériaux transparents. Le fluorure de calcium (CaF2), en raison de sa symétrie cubique et de ses excellentes propriétés de luminescence en tant que cristal laser, a été choisi comme matériaux de référence dans cette thèse. L’inscription laser en régime femtoseconde de guides d’ondes à l’intérieur de ce cristal a été réalisée pour une conception future de source laser intégrée. Pour la première fois, des écritures laser « lisses » et non réciproques ont été observées à l’intérieur de certains échantillons « coupés spécialement » de cristaux de CaF2. De plus, un guidage de la lumière dépendant de la polarisation a été identifié et est présenté. Un modèle et une méthode ont été développés pour caractériser quantitativement et qualitativement ces guides d’ondes, en particulier pour les mesures de perte de transmission, ainsi que les cartographies tridimensionnelles de l’indice de réfraction des zones modifiées.Femtosecond laser micromachining inside laser crystals offers a new platform to miniaturize highly compact laser sources. It leads to rapid prototyping and cost-effectiveness in line with the future photonics roadmaps. However, the challenges in relation to an intense laser pulse energy deposition within transparent media and the modifications that follow still remain open-ended questions. These challenges have been addressed with a careful and systematic study of femtosecond modified zones inside transparent materials. Due to its cubic symmetry and excellent luminescence properties as laser crystal, Calcium Fluoride (CaF2) was selected, and ultrafast laser inscription of waveguides inside this crystal was realized. Smooth and non-reciprocal writings were observed inside certain “specially cut” samples of the CaF2 crystals for the first time. Additionally, polarization dependent guiding is identified and presented. Furthermore, an authentic model and concept was engaged for the quantitative and qualitative characterization of the waveguides, particularly for the transmission loss measurements and the three-dimensional refractive index mappings of the modified zones