Thèse Nouvelles Sources Femtosecondes Compactes dans le Proche Infrarouge H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Ondes et Matière Laboratoire de recherche : Laboratoire Charles Fabry Direction de la thèse : Patrick GEORGES ORCID 0000000168222775 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-11-01T23:59:59 Le contexte de cette thèse est l'étude de différentes techniques pour mettre au point de nouvelles sources ultrabrèves compactes en suivant deux axes de développements : d'une part la mise au point de nouvelles architectures d'oscillateurs et d'amplificateurs intégrant des cellules multi-passage autour d'un milieu à gain dopé par des ions ytterbium ou autour d'un cristal non linéaire pour améliorer les performances de ces sources. D'autre part, un autre objectif de cette thèse est d'exploiter les cellules multi-passage pour obtenir de très forts gains nécessaires à l'étude de nouveaux concepts d'oscillateurs femtosecondes jusqu'ici réservés aux oscillateurs à base de fibre optique. Ces travaux se poursuivront sur l'intégration de ces nouvelles géométries dans des configurations monolithiques pour rendre les systèmes ultracompactes et ultrastables. Les développements menés dans les axes optique et intégration convergent vers la réalisation d'une nouvelle génération de sources lasers femtosecondes Yb intégrées, combinant compacité, stabilité et simplicité d'utilisation. L'objectif final de la thèse est ainsi de démontrer des architectures innovantes basées sur des modules multi-passage monolithiques permettant de réduire significativement la complexité des systèmes actuels. Les sources développées viseront en particulier une amélioration de la robustesse et de la compacité, facilitant leur déploiement dans des environnements applicatifs contraints, tant industriels que scientifiques.

Parmi ces applications, un axe prioritaire concerne le domaine de l'imagerie biomédicale avancée. En effet, de nombreuses techniques d'imagerie non-linéaire (microscopie multiphotonique, imagerie en profondeur, excitation hors résonance) nécessitent des impulsions de forte énergie à des longueurs d'onde spécifiques, typiquement dans le proche infrarouge étendu et hors du spectre d'émission des matériaux Yb. Ces longueurs d'onde sont généralement obtenues par conversion non-linéaire (OPA, Raman, etc.), dont l'efficacité limitée impose aujourd'hui l'utilisation de systèmes lasers complexes reposant sur plusieurs étages d'amplification.

Dans ce contexte, l'un des objectifs du projet est de développer une architecture simplifiée reposant sur un oscillateur haute énergie, partiellement ou totalement intégré, capable de fournir directement des niveaux d'énergie suffisants pour alimenter efficacement ces processus non-linéaires en aval. Une telle approche permettrait de réduire drastiquement la complexité des sources actuelles, en limitant le nombre d'étages d'amplificateurs, tout en améliorant la stabilité globale du système.
À terme, ce travail vise donc à ouvrir la voie à des sources ultracourtes compactes et robustes, adaptées à des applications d'imagerie biologique avancée, et plus largement à toute application nécessitant des sources fiables, transportables et facilement intégrables.
L'objectif de cette thèse est d'étudier et de réaliser des solutions de compactification pour une nouvelle génération de sources ultrabrèves. Pour atteindre cet objectif, le travail sera structuré autour de deux axes parallèles et complémentaires :
- Un axe de recherche optique, visant à étudier et développer de nouvelles architectures d'oscillateurs et d'amplificateurs basées sur des milieux dopés ytterbium en matrice solide ;
- Un axe de développement dédié à l'intégration et aux techniques d'assemblage de modules optiques monolithiques simplifiés.

Ces deux axes s'appuient sur l'expérience conjointe de l'entreprise et du laboratoire, tant sur les aspects optiques que sur l'intégration, à l'état de l'art des technologies laser femtosecondes. Les objectifs du travail de thèse se déclinent alors comme suit, selon ces deux axes et leur convergence vers un objectif commun :

1. Axe optique : architectures à base d'ions Yb (1 µm)
- Développement d'un oscillateur compact intégrant une géométrie multi-passage en cavité (Herriott, White, Robert, ...), permettant l'exploitation d'effets non linéaires.
- Développement d'une unité multi-passage incluant un milieu à gain dopé Yb en matrice cristalline, permettant la réalisation de géométries à fort gain pour des configurations amplificatrices.
- Conception d'un oscillateur exploitant le module à fort gain développé pour les amplificateurs (objectif 1.b), afin d'accéder à des configurations aujourd'hui principalement limitées aux lasers fibrés (par exemple de type Mamyshev).

2. Axe intégration : modules monolithiques
- Conception et miniaturisation d'une cellule multi-passage monolithique (type Herriott), avec réduction des degrés de liberté d'alignement.
- Développement de briques actives intégrées incluant le milieu à gain, avec une attention particulière portée à la gestion thermique impactant les performances de stabilité.

3. Objectif final
Développement d'une source laser Yb ultra-compacte intégrant des modules monolithiques au sein de géométries innovantes à fort gain.

Étude d'architectures optiques innovantes incluant un milieu à gain basé sur des ion Yb émettant à 1 µm :

- Développement oscillateur compacte avec intégration d'une solution optique basée sur du multi-passage ou en cavité (Herriott, White, Robert,... ) et pour la réalisation d'effet non-linéaire
- Développement d'une unité multi-passage incluant le milieu à gain dopée Yb sur matrice solide permettant une géométrie de réalisation de fort gain et appliquée à des configuration oscillateurs et amplificateurs
- Conception d'un oscillateur adaptant le module à fort gain développé pour les amplificateurs (objectif 1.b) pour accéder à des configurations accessibles que pour des lasers à fibre (Mamyshev, ...)

Développement et intégration des sous-modules monolithiques basés sur du réglage et du montage opto-mécanique de précision :

- Réalisation et étude de miniaturisation d'un module de cellule multi-passage monolithique (basé sur une cellule d'Herriott)
- Développement de briques plus complexes, incluant le milieu actif, devant faire face à la gestion thermique impactant les performances de stabilité.

Source laser ultra-compacte intégrant le module monolithique dans des géométries novatrices à fort gain pour laser Yb