L’étude de la spectroscopie de l’ion Tm3+ a permis de montrer que la transition 3H4 ⇒3H5 pouvait conduire à la génération d’une émission laser efficace autour de 2,3 µm. Cette gamme spectrale suscite un grand intérêt pour les applications laser dans le domaine du moyen infrarouge, particulièrement pour des applications en spectroscopie moléculaire, en détection de gaz, et dans le domaine médical. Plusieurs avancées ont été réalisées au cours de ces dernières années qui ont permis de démontrer des efficacités et des puissances records. Parmi les points clefs qui ont permis de lever les problèmes inhérents à cette transition, la mise en évidence du rôle bénéfique des transferts d’énergie (Energy Transfer Upconversion) a été le plus important. Cela a permis d’optimiser les teneurs en dopant et de démontrer un fonctionnement laser efficace sur cette transition à de fortes concentrations d’une part et sur une large gamme de matériaux (oxydes ou fluorures) d’autres part. Un pompage « par avalanche » original démontré dans l’équipe OML a également constitué une avancée remarquable et a ouvert de nombreuses perspectives pour l’émission du Tm à 2.3 µm. Ce pompage permet en effet d’utiliser des lasers brillants de haute puissance (à base d’Ytterbium par exemple) comme source de pompage. Cela permet par exemple de pomper des fibres ou des guides d’ondes monomodes. Ce mécanisme de pompage permet aussi de réaliser un pompage intracavité avec, par exemple, un laser Néodyme émettant à 1.06 µm. La recherche actuelle dans cet axe se concentre sur le développement de laser de plus haute puissance utilisant un pompage intra cavité par upconversion (collaboration LCF) et l’étude du fonctionnement en régime impulsionnel (Q-Switch ou Mode-locking) de la transition 3H4 ⇒3H5 (collaborations Coria &LCF).

Les installations laser à très haute énergie en service dans le monde comme le Laser Méga-Joule (LMJ) à Bordeaux ou le National Ignition Facility aux USA utilisent des lasers dont la cadence est typiquement limitée à un tir toutes les quelques heures, soit 10-4 Hz. Les verres laser dopés au néodyme qui constituent les milieux amplificateurs sont, par leur faible conductivité thermique, l'élément limitant. L'augmentation de la cadence des tirs laser est la clé de voûte de l'évolution de ces installations de nouvelle génération correspondant à une demande alliant haute énergie et fréquence de tir. Dans ce contexte, le laboratoire CIMAP de Caen mène une collaboration étroite avec le CEA-CESTA (Centre d'études scientifiques et techniques d'Aquitaine) à travers différents contrats de recherche pour développer de nouveaux matériaux laser pouvant répondre à un cahier des charges strict, imposé par une très grande installation laser comme le Laser Méga-Joule (LMJ). Les différentes caractéristiques spectroscopiques ainsi que thermomécaniques des matériaux dopés aux terres rares synthétisés et étudiés au CIMAP sont en mesure de répondre aux exigences d'un programme de recherche de cette envergure. Des matériaux candidats très prometteurs ont été synthétisés, caractérisés et mis en œuvre au CIMAP, tels que le CaF2 et ses isotypes (BaF2, SrF2) codopés avec le Nd3+ et un ou plusieurs ions tampons (Lu, Y, Sc, Gd, La, Ce….). Différentes expériences laser (mesure de gain laser par technique pompe-sonde, fonctionnement en oscillateur laser ou en amplificateur) ont déjà mises en œuvre au CIMAP, ainsi qu'au CEA-CESTA avec ces matériaux qui ont été optimisés par l'équipe OML, pour être utilisés dans des modules laser dédiés au LMJ.

L’équipe OML étudie de plusieurs années des milieux à gain pour des sources laser à l'état solide émettant directement dans le spectre visible. Depuis une dizaine d'années, on observe un regain d'intérêt pour la recherche internationale sur ce thème, porté notamment par de nombreuses applications émergentes dans les domaines de la médecine, de la biologie et de l'imagerie. Au cours de la période 2020–2026, des efforts considérables ont été déployés au sein de l'OML pour faire progresser la recherche sur les matériaux, leur élaboration et la spectroscopie des ions de terres rares propices à l'émission dans le visible, ainsi que sur des architectures laser innovantes exploitant ces matériaux comme des architectures multi-cristaux. Les cristaux de fluorure élaborés au CIMAP sont particulièrement adaptés à l'ion Pr³⁺, mais d'autres couples matrice/ion actif ont également été étudiés. L’équipe a obtenu des résultats innovants dans le domaine des matériaux et des ions pour une émission efficace dans le visible, avec des résultats pionniers avec l'ion Sm³⁺ dans des cristaux de tungstate et de fluorure, ainsi que dans des lasers à guide d'ondes réalisés par découpe ou par inscription laser femtoseconde.