Etude des distributions angulaires d'absorption et d'autodoublage de fréquence du cristal biaxe monoclinique YCa4O(BO3)3 dopé avec des ions Nd 3+

The work reported in this thesis is about new fundamental developments of linear and non linear crystal optics in biaxial media. First, it is about the study of the angular distribution of the absorption coefficient in polarized light, secondly the study of self-frequency doubling is concerned, this last property combining simultaneously laser effect and second harmonic generation in the same crystal. These two studies have been performed in the monoclinic biaxial crystal Ca4YO(BO3)3 doped with Nd3+ ions (Nd:YCOB) and cut as a sphere. Our study of the angular distribution of the absorption in the mirror plane of Nd :YCOB showed, for the first time to our knowledge, that in a monoclinic crystal the angle between the absorption frame and the dielectric frame strongly depends on the involved electronic transition. This fundamental result occurring in monoclinic and triclinic crystals has important consequences for devices since it is necessary to know the orientation of the absorption frame and of the fluorescence frame for their corresponding wavelength in order to implement a laser using a monoclinic or a triclinic crystal. The measurement of the angular distribution of the absorption in all directions of Nd:YCOB showed that it is based on two layers propagating the two polarization modes of the medium. They cross along continuous lines defining continuous directions of propagation for which the absorption is polarization independent. These particular directions could be very interesting when dealing with thermal effects. These results are completely original and all biaxial crystals are concerned i.e. from the orthorhombic, monoclinic or triclinic crystallographic systems. Having in mind how difficult it is to optimize simultaneously absorption properties, fluorescence properties and phase-matching conditions, we implemented a method of direct characterization of self-doubling frequency, the studied crystal being cut as a sphere and inserted between two mirrors. In these conditions, we showed that it is possible to directly measure all self-doubling frequency phase-matching directions in only one sample of the studied crystal. It is also the first time, to our knowledge, that a laser which gain medium is cut as a sphere is reported.Ce travail de thèse concerne de nouveaux développements fondamentaux en optique cristalline linéaire et non linéaire des milieux biaxes. Il s'agit de l'étude de la distribution angulaire du coefficient d'absorption en lumière polarisée d'une part, et de l'auto-doublage de fréquence d'autre part, cette dernière propriété combinant à la fois l'effet laser et la génération de second harmonique dans le même cristal. Ces deux aspects ont été abordés avec le cristal biaxe monoclinique Ca4YO(BO3)3 dopé avec des ions Nd3+ (YCOB : Nd) et usiné en forme de sphère. Grâce à l'étude de la distribution angulaire de l'absorption dans le plan miroir de YCOB : Nd, nous avons montré, pour la première fois à notre connaissance, que dans un cristal monoclinique l'angle entre le repère d'absorption et le repère diélectrique dépend fortement de la transition électronique considérée. Ce résultat fondamental, propre aux cristaux monocliniques et tricliniques, a des conséquences pratiques importantes : en effet, il sera nécessaire de connaître l'orientation du repère d'absorption ou de fluorescence pour chaque longueur d'onde considérée lorsqu'il s'agira de concevoir un laser à partir d'un cristal monoclinique ou triclinique. La mesure de la distribution angulaire de l'absorption dans toutes directions de YCOB : Nd a montré que la topologie correspondante est décrite par deux nappes relatives aux deux modes de polarisation, nappes qui sont en contact selon des lignes continues définissant ainsi un continuum de directions pour lesquelles l'absorption ne dépend pas de la polarisation. Ces directions particulières pourraient trouver un intérêt dans le cadre de la gestion de la thermique vis-à-vis de l'absorption. Ces résultats sont totalement originaux et sont généralisables à tout cristal biaxe, qu'il soit orthorhombique, monoclinique ou triclinique. Conscients de la complexité d'optimiser à la fois les propriétés d'absorption, de fluorescence et d'accord de phase, nous avons conçu une méthode de caractérisation directe des propriétés d'autodoublage de fréquence, le cristal étudié étant usiné en forme de sphère puis placé entre deux miroirs. Dans ces conditions, nous avons montré qu'il est possible de mesurer directement toutes les directions d'accord de phase d'autodoublage de fréquence avec un seul échantillon du cristal à l'étude. C'est aussi la première démonstration, à notre connaissance, d'un laser dont le milieu à gain est sphérique