Lasers ultrarapides à 3 µm : nouvelles approches basées sur des cristaux et céramiques dopés Dy³⁺ // Ultrafast mid-IR lasers at 3 µm: innovative approaches using Dy³⁺-doped crystals and ceramics

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. CH₄) 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.
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The objective of this PhD thesis, is to develop innovative pulsed laser architectures based on novel laser materials emitting beyond 3 µm. Within this framework, the LCF is collaborating with partner laboratories—CIMAP and IRCER for the growth of new laser crystals and ceramics, and CORIA for laser optics—through the ANR DUPLEX project (Dysprosium for Ultrashort-Pulse Lasers using Low-Phonon Crystals for Emission eXtended above 3 µm). This project aims to explore Dy³⁺-doped single crystals and transparent ceramics, which present a very strong potential for the generation of ultrashort-pulse lasers in the mid-infrared (MIR) spectral range.
The interest in lasers emitting around 3 µm is major: this spectral region corresponds to the absorption fingerprints of many atmospheric molecules (e.g. CH₄), as well as the edge of a water absorption band. Consequently, 3 µm lasers are highly relevant for applications in spectroscopy, greenhouse gas and pollutant detection, industrial process monitoring (hydrocarbons, combustion), and biomedicine, where this wavelength is efficiently absorbed by biological tissues. Recent developments also highlight their potential as pump sources for Fe²⁺:ZnSe lasers or optical parametric oscillators, as well as for supercontinuum generation.
Currently, most pulsed solid-state MIR lasers rely on Tm³⁺- or Ho³⁺-doped crystals emitting around 2 µm. However, sources around 3 µm remain largely unexplored and represent a first-order international scientific and technological challenge. Dysprosium doping, combined with original host matrices (low-phonon-energy crystals and transparent ceramics), offers a promising path forward, providing both enhanced efficiency and broad emission bandwidths favorable for ultrashort-pulse generation.
The PhD project pursues two main objectives:
1. Characterize novel Dy³⁺-doped laser materials (crystals and ceramics) developed with our partners, in terms of spectroscopic and laser properties, energy transfer processes, emission bandwidth, pump optimization, and thermal behavior.
2. Design and test innovative laser cavities based on these materials, with the ultimate goal of demonstrating ultrashort-pulse sources in the 3 µm region. Advanced approaches such as intracavity pumping and co-doping strategies will be investigated to optimize efficiency, gain bandwidth, and output power.
The doctoral work will include a strong experimental component, focused on the realization of pulsed laser cavities, optical and thermal characterization of materials, and the study of dynamic regimes (CW, Q-switching, mode-locking). It will also involve fundamental investigations into material properties such as phonon energy, spectral homogeneity, and thermal conductivity.
This PhD subjects are part of an ANR-funded project that guarantees financial support for the thesis. It represents a highly interdisciplinary research topic at the interface between laser physics and materials science, allowing the PhD candidate to acquire advanced skills in material spectroscopy, complex laser cavity design, MIR pulsed laser dynamics, and nonlinear process modeling.
The development of new solid-state laser sources around 3 µm is currently one of the most dynamic fields in photonics, with major scientific, industrial, and societal implications. This thesis therefore lies in a particularly promising context, with strong potential for high-impact publications and national and international collaborations.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Autre financement public

ANR

Université Paris-Saclay GS Physique

572 Ondes et Matière

profil : master ou ingénieur en optique compétence en laser, optique instrumentale et optique ultrarapide
Profile: Master's degree or engineering background in optics Skills: Expertise in lasers, instrumental optics, and ultrafast optics