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1 Développement de nouvelles sources émettant autour de 976 nm à base de matériaux dopés par des ions ytterbium Aude Bouchier Laboratoire Charles Fabry.

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1 1 Développement de nouvelles sources émettant autour de 976 nm à base de matériaux dopés par des ions ytterbium Aude Bouchier Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique, du CNRS (UMR 8501) et de l'Université Paris XI

2 2 But de notre étude Sources bleues solides à 488 nm : alternative au laser à argon ionisé de faible puissance, biologie :séquençage de l'ADN, cytométrie... télécommunications sous-marines... Sources autour de 488 nm : sources à émission directe dans le bleu, diode laser, upconversion, conversion non linéaire d'une source infrarouge, somme de fréquence (1064 nm nm 491 nm), doublement de fréquence. Introduction cristal non linéaire 976 nm488 nm Sources autour de 976 nm : lasers à semiconducteurs diodes laser, VECSEL, matériaux dopés par des ions Yb 3+.

3 3 absorption émission Section efficace (x m 2 ) Longueur d'onde (nm) 2 F 5/2 2 F 7/2 Yb 915 nm 915 nm 976 nm vraie trois niveaux 976 nm fort gain vers 976 nm, réabsorption vers 976 nm : pompage intense Des matériaux dopés par des ions Yb 3+ Les transitions disponibles : Introduction 976 nm 2 F 5/2 2 F 7/2 Yb 915 nm 1030 nm 976 nm 1080 nm quasi-trois niveaux 976 nm 1030 nm 915 nm silice dopée Yb

4 4 Quelle solution envisager... Cristaux dopés par des ions ytterbium : grand choix de matrices : YAG, YVO 4, S-FAP, KGW, KYW... fort gain à 976 nm. Fibres dopées par des ions ytterbium : grande longueur d'interaction, pas d'effet thermique. Introduction

5 5 Plan Etude théorique de l'émission à 976 nm optimisation des paramètresde l'effet laser, de l'amplification. Emission dans un cristal de KY(WO 4 ) 2 dopé par des ions Yb 3+ étude préliminaire en pompage par laser à saphir dopé au titane, limitations des cristaux. Emission dans une fibre monomode dopée par des ions Yb 3+ Régime continu et doublement de fréquence, Régime impulsionnel et doublement de fréquence. Conclusions et perspectives

6 6 La transition : Gain linéique à 976 nm : g = s em N 1 - s abs N 0, ( s em ~ s abs g ~ s em (N 1 - N 0 )) Gain positif si I pompe > intensité de transparence s abs, (intensité minimale à 915 nm pour rendre le milieu transparent à 976 nm). Simulation des sources à 976 nm Etude théorique de l'émission à 976 nm multiplet excité 2 F 5/2 N 1 multiplet fondamental 2 F 7/2 N 0 1/ 1/ << 1 ns pompe p signal s p em p abs s abs s em

7 7 Emission Spontanée Amplifiée (ASE) Origine émission spontanée isotrope, mais guidage (indice ou gain) : bidirectionnelle, amplifiée. Conséquences limitation du gain en régime d'amplification à 976 nm. Etude théorique de l'émission à 976 nm ASE copropagative ASE contrapropagative pompe 976 nm 1030 nm (négligeable) Longueur d'onde (nm) Puissance normalisée (u.a.) éch. log.

8 8 La modélisation utilisée Equations de propagation de la pompe, du signal et des ASE terme source de l'ASE N0N0 N1N1 pompe signal ASE : facteur de recouvrement u s = ± 1 u + ASE = +1 u - ASE = -1 forte absorption à 976 nm Etude théorique de l'émission à 976 nm pompe signal ASE PpPp PsPs P - ASE longueur L faisceau gaussien cylindrique P + ASE

9 9 Résolution numérique avec ASE : source d'ASE - amplificateur [E.Desurvire, 1994] Paramètres matériaux (sections efficaces, dopage...). Résultats : longueur optimale, puissance de l'ASE, gain, configuration de pompage. Résolution analytique sans ASE : effet laser [C.Barnard et al.,IEEE JQE, 30 (8), 1994] Paramètres mesurables (absorption de la pompe, puissances de saturation...). Résultats : longueur optimale, puissance de pompe au seuil P seuil, efficacité, puissance laser P laser = (P p - P seuil ). signalpompe Deux modèles principaux Limite de validité : émission autour de 1030 nm négligeable. Etude théorique de l'émission à 976 nm pompe signal amplifié ASE contra ASE co

10 10 Choix de la matrice hôte des ions Yb 3+ Critères : intensité de transparence faible, gain élevé, disponibilité commerciale. * [S.Yiou et al., Appl.Opt. 42 (24) 2003] Yb:S-FAP 2 kW/cm 2 / 50 cm -1, émission à 985 nm (250 mW pour 1,5 W *), non disponible. Yb:KY(WO 4 ) 2 27 kW/cm 2 / 66 cm -1, émission à 981 nm, disponible commercialement. Etude théorique de l'émission à 976 nm Intensité de transparence (kW/cm 2 ) Gain petit signal linéique à 10 x I trans (cm -1 ) Cristaux fort gain linéique, divergence de la source de pompage. Fibres : silice faible gain linéique, confinement de la pompe.

11 11 Plan Etude théorique de l'émission à 976 nm Emission dans un cristal de KY(WO 4 ) 2 dopé par des ions Yb 3+ étude préliminaire en pompage par laser à saphir dopé au titane, limitations des cristaux. Emission dans une fibre monomode dopée par des ions Yb 3+ Régime continu et doublement de fréquence, Régime impulsionnel et doublement de fréquence. Conclusions et perspectives

12 12 Quelques caractéristiques : cristal monoclinique, uniaxe optique (// axe c), indice ~ 2, dopage de 0,5 à 100 %. Transition utilisée : absorption à 931 nm (axe a), émission à 981 nm (axe a), s em = m 2, s abs = m 2, propagation parallèle à l'axe c. KY(WO 4 ) 2 dopé par des ions Yb 3+ Emission dans un cristal de Yb:KYW Longueur d'onde (nm) Section efficace ( m 2 )

13 13 Dispositif expérimental Laser Ti:Sa à 931 nm (Laboratoire de Chimie Appliquée à l'Etat Solide - ENSCP) puissance : 2 W,limité par la diffraction, diamètre de focalisation : 25 µm,longueur de Rayleigh dans le cristal : 2 mm, intensité au waist : 900 kW/cm 2. Emission dans un cristal de Yb:KYW laser Ti:Sa Cristal de Yb:KYW longueur :1,5 mm, dopage :10 %. réabsorption à 981 nm milieu transparent 981 nm931 nm 2 Z R faisceau de pompe faisceau de cavité

14 14 0,14 nm Longueur d'onde (nm) Puissance normalisée (u.a.) Emission dans un cristal de Yb:KYW Emission laser à 981 nm 530 mW = 30 % Puissance de pompe incidente (W) Puissance à 981 nm (mW) laser entre les faces du cristal, qualité de faisceau : M 2 ~ 1,1. Cristal non traité anti-reflet Yb:S-FAP : 250 mW pour 1,5 W laser Ti:Sa 1,5 mm R ~ 11 %

15 15 laser Ti:Sa = 20 % 320 mW simulation :réflexion sur coupleur du laser Ti:Sa. 1,2 nm Longueur d'onde (nm) Puissance normalisée (u.a.) qualité de faisceau : M 2 ~ 1,1. Emission dans un cristal de Yb:KYW ASE à 981 nm Cristal non traité anti-reflet Puissance de pompe incidente (W) Puissance à 981 nm (mW) [Bouchier et al., ASSP 2005]

16 16 recouvrement du faisceau de pompe et du faisceau intracavité dans le cristal. faisceau de pompe faisceau de cavité microlaser faisceau de pompe faisceau de cavité cavité à 3 miroirs Longueur d'onde (nm) Section efficace (pm 2 ) Yb:KYW 985 nm Longueur d'onde (nm) Section efficace (pm 2 ) 1047 nm Yb:S-FAP compétition avec les autres longueurs d'onde insertion de pertes maximales. émission laser coupleur laser Ti:Sa 1,5 mm émission à 981 nm faible : cavité 3 miroirs :54 mW, "microlaser" :530 mW, émission autour de nm. Emission laser "en cavité" Emission dans un cristal de Yb:KYW Emission Yb:KYW : cristal traité anti-reflet émission laser coupleur laser Ti:Sa Limitations :

17 17 Cristaux effet laser efficace (530 mW), ASE (320 mW), adaptation du mode de cavité, spectre. Emission dans un cristal de Yb:KYW Choix de la matrice hôte des ions Yb 3+ Intensité de transparence (kW/cm 2 ) Gain petit signal linéique à 10 x Itrans (cm -1 ) Fibres : silice faible gain linéique, confinement de la pompe.

18 18 Plan Etude théorique de l'émission à 976 nm Emission dans un cristal de KY(WO 4 ) 2 dopé par des ions Yb 3+ Emission dans une fibre monomode dopée par des ions Yb 3+ Régime continu et doublement de fréquence, Régime impulsionnel et doublement de fréquence. Conclusions et perspectives

19 19 impulsionnelle continue Etude des fibres dopées Fibres dopées par des ions ytterbium : confinement de la pompe dans le milieu dopé, grande longueur d'interaction, pas d'effet thermique. Doublement de fréquence vers 488 nm : source continue / impulsionnelle haute-cadence, forte puissance moyenne. Emission dans une fibre dopée monomode cristal non linéaire source infrarouge 976 nm488 nm P P 2 P crête élevée P 2 moy > P 2

20 20 Quel type de fibre dopée choisir ? Puissance à 915 nm pour atteindre la transparence autour de 976 nm : cœur = pompe monomode cœur pompe / ON p P trans 5 µm 5 µm / 0,13 0,77 7 mW faible puissance de transparence, disponible commercialement, source de pompage limitée par la diffraction. cœur pompe double-cœur standard 5 µm 120 µm / 0,2 0,002 3 W double-cœur microstructurée pompage par des diodes laser de puissance multimodes, technologie complexe (fibre et diodes), puissance de transparence élevée. 3,5 W à 977 nm [K.H. Ylä-Jarkko et al., ASSP 2003] ORC Southampton 10 µm 28 µm / 0,7 0,2 100 mW Emission dans une fibre dopée monomode

21 21 Etude théorique de l'émission à 976 nm Emission dans un cristal de KY(WO 4 ) 2 dopé par des ions Yb 3+ Emission dans une fibre monomode dopée par des ions Yb 3+ Régime continu et doublement de fréquence, Régime impulsionnel et doublement de fréquence. Conclusions et perspectives t P t P fibre dopée diode laser à 976 nm source TEM 00 à 915 nm cristal non linéaire t P t P fibre dopée diode laser à 976 nm source TEM 00 à 915 nm cristal non linéaire Régime impulsionnel et doublement de fréquence. Emission dans une fibre dopée monomode Plan fibre dopée miroir d'entrée cristal non linéaire coupleur de sortie source TEM 00 à 915 nm

22 22 Source laser spectralement affinée laser Nd:YVO 4 à 914 nm fibre monomode dopée Yb réseau de diffraction coupleur de sortie (R ~ 4 %) limité par la diffraction Fibre dopée monomode : laser spectralement affiné 4 W dopage = 4,8 x10 25 cm -3 O.N. = 0,13 diamètre de cœur = 5 µm longueur de 10 à 50 cm clivée en angle (INO Canada) Puissance incidente à 808 nm (W) Puissance à 914 nm (W) P pompe : 3 W [Bouchier et al., IEEE PTL, 16 (9), 2004]

23 23 Fibre dopée monomode : laser spectralement affiné Le laser en image... fibre d'injection diode laser à 808 nm coupleur de sortie fibre monomode dopée Yb 3+ laser Nd:YVO 4 30 mm réseau de diffraction

24 24 42 cm Quelle longueur de fibre utiliser ? Modèle analytique : cavité : réseau - lame de verre, pertes : couplage, puissance de pompe de 3 W. Fibre dopée monomode : laser spectralement affiné Puissance incidente à 914 nm (W) Puissance à 976 nm (W) = 72 % L = 40 cm = 71 % Longueur de la fibre (m) Puissance à 976 nm (W) Nd:YVO 4 50 cm 40 cm

25 25 Longueur optimale : 40 cm ( = 72 %) Longueur d'onde (nm) Puissance normalisée (u.a.) Etude expérimentale Fibre dopée monomode : laser spectralement affiné Puissance incidente à 914 nm (W) Puissance à 976 nm (W) 40 cm Fibre trop longue : 50 cm ( = 28 %) réabsorption à 976 nm, émission autour de 1030 nm. 50 cm Longueur d'onde (nm) Puissance normalisée (u.a.)

26 26 Caractéristiques spectrales de la source laser affiné spectralement réseau de diffraction lame de verre (R 4%) Polarisation linéaire (50:1) et faisceau limité par la diffraction. Fibre dopée monomode : laser spectralement affiné fibre dopée Nd:YVO 4 [Bouchier et al., Opt. Express, 13 (18), 2005] laser bleu cristal non linéaire conversion de fréquence Longueur d'onde (nm) Puissance (W) 6,6 nm Puissance normalisée (u.a.) Longueur d'onde (nm) 978,1978,25978,4 0 0,4 0,8 0,02 nm spectreaccordabilité

27 27 Doublement de fréquence Choix du matériau : extracavité, matériau non linéaire très efficace : KNbO 3 9 pm / V, LiNbO 3 9 pm / V, PPLN17 pm / V. Choix de la configuration : cristal non linéaire source infrarouge 976 nm 488 nm 2 P puissance élevée à 976 nm, d eff d eff élevé, Lcristal long, w 0 faisceau petit. Fibre dopée monomode : laser spectralement affiné P 2 P 2 d eff 2 L 2 w 0 2

28 28 Guide d'onde PP MgO:LN Fibre dopée monomode : laser spectralement affiné Guide d'onde en niobate de lithium polarisé périodiquement : confinement des faisceaux à et 2, grande longueur d'interaction, faisceau petit. Comparaison sur des cristaux de 8,3 mm de long : PPLN massifrayon de 25 µm, guide d'onde PPLNrayon de 1,5 x 2,5 µm 2. structure polarisée périodiquement guide d'onde gravé 8,3 mm 2 SiO 2 MgO:LN5 µm 3 µm (prêt de J.M.Maillard (JDS Uniphase))

29 29 Dispositif expérimental Source à 976 nm /2 cube séparateur de polarisation prisme de remise en forme du faisceau guide d'onde PP MgO:LN (couplage 48 %) = 488 nm Fibre dopée monomode : laser spectralement affiné Acceptance spectrale :0,14 nm largeur spectrale, Acceptance thermique :2,4 °C régulation en température (50 °C 978 nm). Vue de dessus du guide : entrée sortie 3 µm 6 µm

30 30 Résultat Puissance à 488 nm hors du guide : puissance en sortie du guide : 83 mW, efficacité interne : 26 %. Fibre dopée monomode : laser spectralement affiné Puissance à 976 nm dans le guide (mW) Puissance à 488 nm en sortie du guide (mW) limitation à forte puissance infrarouge incidente gradient de T changement du pas [Bouchier et al., Opt. Express, 13 (18), 2005]

31 31 Etude théorique de l'émission à 976 nm Emission dans un cristal de KY(WO 4 ) 2 dopé par des ions Yb 3+ Emission dans une fibre monomode dopée par des ions Yb 3+ Régime continu et doublement de fréquence, Régime impulsionnel et doublement de fréquence. Conclusions et perspectives t P t P fibre dopée diode laser à 976 nm source TEM 00 à 915 nm cristal non linéaire Emission dans une fibre dopée monomode Plan fibre dopée miroir d'entrée cristal non linéaire coupleur de sortie source TEM 00 à 915 nm

32 32 Amplification dans une fibre dopée Avantages de la configuration MOPA : régime impulsionnel haute cadence, utilisation d'une diode laser en cavité étendue (LCE). Simulations : réalisées en régime continu et valables en régime impulsionnel. Amplification à 976 nm 3 W P crête = 7 mW, P moy de 0,1 à 7 mW. cadence ? durée ? P moy ? LCE à 976 nm Nd:YVO 4 à 914 nm fibre dopée guide d'onde PP MgO:LN impulsions amplifiées longueur ? gain ? puissance moyenne à 488 nm

33 33 Quelle longueur de fibre utiliser ? Modélisation avec ASE : puissance de pompe de 3 W à 914 nm. Régime d'extractionRégime d'amplification : de la puissance : P moy incidente : 7 mW,P moy incidente : 0,1 mW, gain ~ 24 dB,gain ~ 44 dB, longueur optimale : 48 cm.longueur optimale : 43 cm. Amplification à 976 nm Longueur de la fibre (m) Gain 40 cm

34 34 Simulation de la conversion Optimisation de P moy à 976 nm avant amplification : Amplification à 976 nm Puissance moyenne à 976 nm avant amplification (W) Puissance moyenne à 976 nm (mW) Gain (dB) 7 mW f x t f x t Puissance moyenne à 976 nm avant amplification (W) Puissance moyenne à 488 nm (mW) Efficacité de conversion interne (%) 0,2 mW efficacité normalisée transmission couplage

35 35 durée des impulsions < 100 ns, cadence > 5 MHz Intervalle entre les impulsions trop long : apparition de l'ASE ou d'un effet laser. amplification du fond continu Temps niveau d'ASE ou laser amplification du signal Gain linéique Ecart entre impulsions ~ 3 µs Puissance Temps (µs) Impulsions trop longues : déformation des impulsions, énergie par impulsion ~ µJ. saturation du gain Temps Gain linéique durée : 200 ns Temps (µs) Puissance durée : 10 ns Temps (ns) Puissance durée < 100 ns Durée et cadence des impulsions Amplification à 976 nm

36 36 laser Nd:YVO 4 à 914 nm Dispositif expérimental Amplification à 976 nm fibre dopée diode laser TEM 00 en cavité étendue à 976 nm sortie du LCE diode laser à 976 nm réflexion de l'ordre 1 réseau de diffraction en configuration Littrow impulsions amplifiées P t guide d'onde PP MgO:LN (couplage 57 %) = 488 nm P t f de 1 à 13 MHz, t de 10 à 100 ns. t P 7 mW générateur d'impulsions té de polarisation courant continu I t I t C L R

37 37 Amplification à 976 nm Mesure du gain puissances crêtes > 10 W cadence : de 1 à 13 MHz, durée : de 10 à 100 ns. signal incident : 0,1 mW Longueur d'onde (nm) Puissance normalisée (u.a.) Gain (dB) Puissance moyenne incidente (mW) Longueur d'onde (nm) Puissance normalisée (u.a.) signal incident : 1,1 mW Gain (dB) Puissance moyenne incidente (mW)

38 38 Puissance normalisée (u.a.) Longueur d'onde (nm) Doublement de fréquence Impulsions : durée :10 ns, cadence :13 MHz. Amplification à 976 nm avant amplification : puissance moyenne :1 mW, puissance crête : 7 mW. après amplification (33 dB) : puissance moyenne :2 W, puissance crête : 14 W. puissance en sortie du guide : 100 mW, efficacité interne : 34 %. Puissance moyenne dans le guide à 976 nm (mW) Puissance moyenne en sortie à 488 nm (mW) Puissances hors du guide :

39 39 Plan Etude théorique de l'émission à 976 nm Emission dans un cristal de KY(WO 4 ) 2 dopé par des ions Yb 3+ Emission dans une fibre monomode dopée par des ions Yb 3+ Conclusions et perspectives

40 40 continu : laser spectralement fin (2 W - 72 %), pompage EDFA : (Alcatel - P. Bousselet) Conclusions et perspectives Bilan sur la transition à 976 nm Cristaux : Yb:KYW continu : oscillation laser (530 mW - 30 %), ASE (230 mW - 20 %), adaptation du mode de cavité, spectre. Fibres monomodes dopées Yb 3+ impulsionnel : gains > 30 dB, P crête > 10 W, ASE et laser parasites. source bleue : P moy : 100 mW, efficacité interne : 34 %, largeur spectrale LCE. source bleue : puissance : 83 mW, efficacité interne : 26 %, gradient de température. continu : laser spectralement fin (2 W - 72 %), pompage EDFA, puissance à 915 nm.

41 41 Conclusions et perspectives Perspectives Cristaux : Yb:KYWFibres monomodes dopées Yb 3+ optimisation du microlaser, pompage par diode : diodes brillantes (diodes tapered...), exploitation du gain : amplification à 981 nm. continu : augmentation de la puissance de pompe, laser de pompe fibré. impulsionnel : augmentation de la puissance de pompe, laser de pompe fibré. source bleue : augmentation du couplage, régulation du gradient de température. source bleue : augmentation du couplage, stabilisation du signal (diode DFB à 976 nm).

42 42 Merci de votre attention !


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