Development of LED-pumped laser amplifiers using luminescent concentrators for acousto-optic imaging
Développement d'amplificateurs lasers pompés par LEDs via concentrateurs luminescents pour l'imagerie acousto-optique
Résumé
In optically scattering media, the penetration depth and spatial resolution of light imaging are greatly limited. Acousto-optic imaging (AOI) is a promising hybrid approach based on frequency tagging of photons by an ultrasonic wave. However, AOI imposes stringent laser requirements: single-frequency emission, wide tunability within the therapeutic window (700-1000 nm), high peak power (~100 W) in a so-called ‘quasi-continuous' mode with long pulses of around 100 µs and a repetition rate of up to 100 Hz.The objective of this thesis is to develop a new laser source, adapted to these constraints, based on an oscillator-amplifier architecture with laser crystals doped with transition metal ions. Three amplifier materials were studied: Ti:sapphire, Cr:LiSAF and alexandrite, selected for their wide gain band in the near infrared.A central focus of the work is the development of innovative LED pumping technology using a luminescent concentrator, which had to be scaled up to meet the specifications of the laser source. To achieve this, three levers were used: increasing the unit power of the LEDs, multiplying their number, and optimising a Ce:YAG luminescent concentrator, including an innovative ‘edge' geometry. An advanced optical model was developed and validated experimentally, highlighting the critical role of losses associated with the average propagation distance, particularly due to absorption by the excited state. The pump head resulting from this work delivers up to 2.6 kW of peak power between 530 nm and 630 nm, setting a record level of performance in this spectral range.The integration of this technology into geometric multi-pass amplifiers made it possible to evaluate the performance of the three crystals. Ti:sapphire proved to be limited by insufficient gain in the quasi-continuous regime. Cr:LiSAF demonstrated a single-frequency signal at 830 nm reaching 9 W over 100 µs, but remains constrained by gain saturation and unfavourable thermal behaviour.Alexandrite has proven to be the most promising material: thanks to the long lifetime of the excited state and increasing gain with temperature, a multi-pass amplifier delivering a net gain of 34 after 16 passes and a peak power of 14 W at 761 nm has been demonstrated, setting a record for IAO. Interference effects limiting operation to 100 µs were identified and partially eliminated.This work marks a significant step forward towards more powerful optical imaging devices with greater penetration into biological tissue. Furthermore, it demonstrates the relevance of a new laser technology based on LED-pumped alexandrite, whose potential applications extend far beyond acousto-optic imaging: LiDAR, femtosecond chains, and UV lasers for microelectronics are just a few examples.
Dans les milieux optiquement diffusants, la profondeur de pénétration et la résolution spatiale de l'imagerie par la lumière est grandement limitée. L'imagerie acousto-optique (IAO) constitue une approche hybride prometteuse, reposant sur le marquage en fréquence des photons par une onde ultrasonore. Toutefois, l'IAO impose des exigences laser contraignantes : émission monofréquence, large accordabilité dans la fenêtre thérapeutique (700-1000 nm), puissance crête élevée (~100 W) dans un régime dit "quasi-continu" avec des impulsions longues de l'ordre de 100 µs et une cadence pouvant atteindre 100 Hz. L'objectif de cette thèse est de développer une source laser nouvelle, adaptée à ces contraintes, fondée sur une architecture oscillateur-amplificateur avec des cristaux laser dopés aux ions de transition métallique. Trois matériaux amplificateurs ont été étudiés : le Ti:saphir, le Cr:LiSAF et l'alexandrite, sélectionnés pour leur large bande de gain dans le proche infrarouge. Un axe central du travail consiste au développement d’une technologie de pompage innovante par LEDs via concentrateur luminescent dont il fallait assurer la montée en puissance pour répondre au cahier des charges de la source laser. Pour cela, trois leviers ont été utilisés : l'augmentation de la puissance unitaire des LEDs, la multiplication de leur nombre et l'optimisation d'un concentrateur luminescent en Ce:YAG, incluant une géométrie innovante dite « en arête ». Un modèle optique avancé a été développé et validé expérimentalement, mettant en évidence le rôle critique des pertes associées à la distance moyenne de propagation, notamment dues à l'absorption par l'état excité. La tête de pompage issue de ces travaux délivre jusqu'à 2,6 kW de puissance crête entre 530 nm et 630 nm, établissant un niveau de performance record dans cette gamme spectrale. L'intégration de cette technologie dans des amplificateurs multipassages géométriques a permis d'évaluer les performances des trois cristaux. Le Ti:saphir s'est révélé limité par un gain insuffisant dans le régime quasi-continu. Le Cr:LiSAF a permis de démontrer un signal monofréquence à 830 nm atteignant 9 W sur 100 µs, mais reste contraint par la saturation du gain et une tenue thermique défavorable. L'alexandrite s'est avérée être le matériau le plus prometteur : grâce au long temps de vie du niveau excité et à un gain croissant avec la température, un amplificateur multipassage délivrant un gain net de 34 après 16 passages et une puissance crête de 14 W à 761 nm a été démontré, établissant un record pour l'IAO. Des effets d'interférences limitant le fonctionnement à 100 µs ont été identifiés et partiellement levés. Ces travaux marquent une progression significative vers des dispositifs d'imagerie optique plus performants et plus pénétrants dans les tissus biologiques. De plus, ils démontrent la pertinence d'une nouvelle technologie laser basée sur l'alexandrite pompé par LED, dont le potentiel d'application s'étend bien au-delà de l'imagerie acousto-optique : LiDAR, chaînes femtoseconde, ou lasers UV pour la micro-électronique en sont quelques exemples.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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