Etude des cavités OPO pour la génération de hautes puissances dans l’infrarouge moyen

High repetition rate, high average power, coherent light sources emitting in the mid infrared (mid-IR) spectral region (3-5 μm) are important for many civiland military applications, such as remote sensing, spectroscopy and defense countermeasures. Currently, the most mature technique to deliver such radiation is through frequency down-conversion in Optical Parametric Oscillators (OPOs). Despite many studies of different research groups involved in this field, developing compact and reliable systems delivering tens of watts with good beam quality is still challenging. The thermal effects in nonlinear crystals and optical damage threshold of components involved in such high power systems are the limiting factors.The aim of this thesis is to demonstrate a compact and robust system delivering mid-IR high average power (in the order of tens of watts) with goodbeam quality (M² ≤ 2). The thesis can be divided in two parts. The first part o this work is dedicated to the investigation of different OPO resonators based on nonlinear crystals of Zinc Germanium Phosphide (ZGP). The OPO pump source is a 10 kHz, Ho3+ :LLF MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) system, developed at ISL and delivering 68.7 W of total output power at a wavelength of 2.065 μm with a diffraction limited beam quality. The study includes linear resonators, and two different non-planar ring cavities, the so-called RISTRA and FIRE resonators.We explore the advantages and drawbacks of each design and a comparison between them is reported. A maximum output power of 38 W with an M² = 2.2 is demonstrated using a linear resonator, while the beam quality is improved down to an M² = 1.4, in the FIRE resonator, at an output power of 25 W.In the second part, this thesis shows how the performances of these devices can be further enhanced, both in power and output beam quality. At first, reducing the pump spot size allows us to decrease the oscillation threshold and up-scale the average power, obtaining 30 W in RISTRA and reaching one of the limitation of our setup. Moreover, since SWaP (Size, Weight, and Power)- optimized sources are important for certain applications, in particular military, a miniaturized FIRE cavity is designed, built and investigated. A total output power of 24 W with good beam quality (M² = 1.6) is obtained, proving that similar performances can be achieved with a very compact OPO design. Then, parametric studies on the beam quality dependence on different factors, such as pump repetition rate, allows us a better understanding of the effects which concur to deteriorate it. This paves the way to optimizations of the OPO operation and further improvement of the output beam quality in the non-planar ring resonators.Des sources lumineuses cohérentes émettant dans la région spectrale du moyen infrarouge (moyen IR) entre 3 et 5 μm, sont nécessaires pour de nombreuses applications civiles et militaires telles que la télédétection, la spectroscopie et les contre-mesures optroniques. Certaines de ces applications requièrent une émission impulsionnelle de forte puissance moyenne avec un taux de répétition élevé. Actuellement, la technique la plus mature pour générer un tel rayonnement consiste à convertir un faisceau de pompe vers des fréquences inférieures grâce à des oscillateurs paramétriques optiques (OPO). Malgré de nombreuses études de différents groupes de recherche impliqués dans ce domaine, le développement de systèmes compacts et fiables délivrant des dizaines de watts avec une bonne qualité de faisceau reste un défi. Les effets thermiques en jeux dans les cristaux et le seuil d’endommagement sous fort flux laser des composants impliqués dans ces systèmes à haute puissance sont les facteurs limitants.L’objectif de cette thèse est de démontrer un système compact et robuste délivrant une puissance moyenne élevée dans le moyen IR (de l’ordre de plusieurs dizaines de watts) avec une bonne qualité de faisceau (M² ≤ 2). La thèse se divise en deux parties. La première partie s’intéresse à l’investigation de différentes cavités OPO basées sur des cristaux non linéaires de phosphure de zinc et de germanium (ZGP). La source de pompe utilisée est un système MOPA (oscillateur maître amplifié en puissance) basé sur des cristaux Ho3+:LLF. Cette source, développée à l’ISL, délivre une puissance moyenne de sortie de 68,7 W à une cadence de 10 kHz à une longueur d’onde de 2,065 μm, et une qualité de faisceau limitée par la diffraction. L’étude comprend des cavités linéaires et deux cavités non-planaires à rotation d’images, appelées RISTRA et FIRE. Les avantages et les inconvénients de chaque architecture, ainsi qu’une comparaison entre les cavités sont reportés. Une puissance maximale de sortie de 38 W avec un facteur M² = 2, 2 est démontrée à l’aide d’un résonateur linéaire. Grâce à la cavité FIRE, la qualité du faisceau a été améliorée avec un facteur M² = 1, 4 pour une puissance en sortie de 25 W. Dans une deuxième partie, cette thèse montre comment les performances de ces cavités non planaires peuvent être améliorées, d’un point du vue de la puissance et de la qualité du faisceau de sortie. La diminution de la taille du faisceau de pompe nous permet de diminuer le seuil d’oscillation et d’augmenter la puissance moyenne, obtenant ainsi jusqu’à 30 W de puissance en sortie de la cavité RISTRA et atteignant l’une des limites de notre configuration. Par ailleurs, il est important de disposer de sources compactes pour certaines applications notamment militaires. Une cavité FIRE miniaturisée a donc été conçue, construite et étudiée. Une puissance de sortie totale de 24 W avec une bonne qualité de faisceau (M² = 1, 6) est obtenue, prouvant que des performances similaires peuvent être atteintes avec une conception OPO très compacte. Enfin, des études paramétriques sur la dépendance de la qualité des faisceaux en sortie des résonateurs non planaires en fonction, notamment, du taux de répétition du laser de pompe, ont permis de mieux comprendre l’influence de ces paramètres sur sa détérioration. Cette meilleure compréhension ouvre la voie a une optimisation du fonctionnement de l’OPO et une amélioration de la qualité des faisceaux en sortie