Thèse Lasers Ultrarapides à 3 ?m Nouvelles Approches Basées sur des Cristaux et Céramiques Dopés Dy³ H/F - Université Paris-Saclay GS Physique

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique
École doctorale : Ondes et Matière
Laboratoire de recherche : Laboratoire Charles Fabry
Direction de la thèse : Frédéric DRUON ORCID 0000000159552473
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-01T23:59:59

L'objectif de cette thèse est de développer des architectures lasers impulsionnelles novatrices basées sur de nouveaux matériaux laser émettant au-delà de 3 µm. Dans ce cadre, le LCF s'associent à des laboratoires partenaires (CIMAP et IRCER pour la croissance de nouveaux cristaux et céramiques laser et le CORIA pour la partie optique des lasers) dans le cadre du projet ANR DUPLEX (Dysprosium for Ultrashort-Pulse lasers using Low-Phonon crystals for Emission eXtended above 3µm) pour explorer des cristaux et céramiques transparentes dopés au dysprosium (Dy³). Ces matériaux présentent en effet, un très fort potentiel pour la génération de lasers à impulsions ultracourtes dans le moyen infrarouge (MIR).
L'intérêt des lasers émettant vers 3 µm est majeur : cette région spectrale correspond aux signatures d'absorption de nombreuses molécules atmosphériques (e.g. CH) ainsi qu'au bord d'une bande d'absorption de l'eau. Ils sont ainsi particulièrement pertinents pour des applications en spectroscopie, en détection de gaz à effet de serre et de polluants, dans l'analyse de procédés industriels (hydrocarbures, combustion), ainsi qu'en biomédecine, où cette longueur d'onde présente une absorption efficace par les tissus biologiques. Les développements récents montrent également leur intérêt comme sources de pompage pour des lasers Fe²:ZnSe ou des oscillateurs paramétriques optiques, ainsi que pour la génération de supercontinuum.
Aujourd'hui, la majorité des lasers solides impulsionnels dans le MIR s'appuient sur des cristaux dopés Tm³ ou Ho³ émettant autour de 2 µm. Cependant, les sources autour de 3 µm demeurent encore peu explorées et représentent un enjeu scientifique et technologique international de tout premier plan. Le choix du dopage au dysprosium, associé à des matrices hôtes originales (cristaux à faible énergie de phonon et céramiques transparentes), permet d'ouvrir cette voie en offrant à la fois une efficacité accrue et une largeur spectrale d'émission favorable aux impulsions ultracourtes.
L'objectif de la thèse est double :
1.Caractériser les matériaux laser inédits développés par et avec nos partenaires (cristaux et céramiques dopés Dy³) en termes de propriétés laser et spectroscopiques, transferts d'énergie, largeur d'émission, optimisation du pompage et propriétés thermiques.
2.Concevoir et tester de nouvelles cavités laser adaptées à ces matériaux, afin de démontrer à termes des sources à impulsions ultracourtes dans la région des 3 µm. Des approches innovantes telles que le pompage intracavité ou le co-dopage seront explorées pour optimiser l'efficacité, la bande spectrale d'amplification, la puissance...
Le travail de doctorat comprendra une composante expérimentale forte, autour de la réalisation de cavités lasers impulsionnelles, de la caractérisation optique et thermique des matériaux, ainsi que de l'étude des régimes dynamiques (CW, Q-switch, mode-locking). Il inclura également une réflexion sur les propriétés fondamentales des matériaux (rôle de l'énergie de phonon, homogénéité spectrale, conduction thermique).
Cette thèse s'inscrit dans un projet ANR qui inclue un financement assuré pour la thèse. C'est un sujet ayant une forte synergie entre physique des lasers et science des matériaux. Il permettra au doctorant d'acquérir des compétences interdisciplinaires de pointe : spectroscopie de matériaux, conception d'architectures laser complexes, dynamique des lasers impulsionnels et MIR, ainsi que modélisation des processus non-linéaires.
Le développement de nouvelles sources lasers solides autour de 3 µm constitue aujourd'hui l'un des domaines les plus dynamiques de la photonique, avec de forts enjeux scientifiques, industriels et sociétaux. Cette thèse s'inscrit donc dans un contexte particulièrement porteur, avec un fort potentiel de valorisation sous forme de publications de haut niveau et de collaborations nationales voire internationales.

L'objectif de cette thèse est de développer des architectures lasers impulsionnelles novatrices basées sur de nouveaux matériaux laser émettant au-delà de 3 µm. Dans ce cadre, le LCF s'associent à des laboratoires partenaires (CIMAP et IRCER pour la croissance de nouveaux cristaux et céramiques laser et le CORIA pour la partie optique des lasers) dans le cadre du projet ANR DUPLEX (Dysprosium for Ultrashort-Pulse lasers using Low-Phonon crystals for Emission eXtended above 3µm) pour explorer des cristaux et céramiques transparentes dopés au dysprosium (Dy³). Ces matériaux présentent en effet, un très fort potentiel pour la génération de lasers à impulsions ultracourtes dans le moyen infrarouge (MIR).
L'intérêt des lasers émettant vers 3 µm est majeur : cette région spectrale correspond aux signatures d'absorption de nombreuses molécules atmosphériques ainsi qu'au bord d'une bande d'absorption de l'eau. Ils sont ainsi particulièrement pertinents pour des applications en spectroscopie, en détection de gaz à effet de serre et de polluants, dans l'analyse de procédés industriels (hydrocarbures, combustion), ainsi qu'en biomédecine, où cette longueur d'onde présente une absorption efficace par les tissus biologiques.

1.Caractériser les matériaux laser inédits développés par et avec nos partenaires (cristaux et céramiques dopés Dy³) en termes de propriétés laser et spectroscopiques, transferts d'énergie, largeur d'émission, optimisation du pompage et propriétés thermiques.
2.Concevoir et tester de nouvelles cavités laser adaptées à ces matériaux, afin de démontrer à termes des sources à impulsions ultracourtes dans la région des 3 µm. Des approches innovantes telles que le pompage intracavité ou le co-dopage seront explorées pour optimiser l'efficacité, la bande spectrale d'amplification, la puissance...

réalisation expérimentale,
optique instrumentale
à l'interface optique et matériau pour l'optique

profil : master ou ingénieur en optique
compétence en laser, optique instrumentale et optique ultrarapide