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1 Sources laser solides, pompées par diode, émettant autour de 1000 et 500 nm, à base de cristaux dopés ytterbium et de semiconducteurs. Laboratoire Charles.

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1 1 Sources laser solides, pompées par diode, émettant autour de 1000 et 500 nm, à base de cristaux dopés ytterbium et de semiconducteurs. Laboratoire Charles Fabry de lInstitut dOptique Équipe Lasers Solides et Applications Laboratoire Charles Fabry de lInstitut dOptique Directeur de thèse : François BALEMBOIS Mathieu JACQUEMET LNE-INM/CNAM, Paris Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

2 2 Plan de la présentation Introduction et motivations de ces travaux Solution laser à base de cristaux dopés ytterbium Solution laser à base de semiconducteurs (OPSL – Laser à Semiconducteurs Pompé Optiquement) Comparaisons, conclusion et perspectives Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

3 3 Introduction Depuis 1983 : Définition du mètre à partir de la vitesse de la lumière (c 0 = m.s -1 ) – Lasers asservis sur des transitions (hyperfines) moléculaires pour mettre en pratique le mètre. Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Historiquement, 127 I 2 est une molécule très utilisée pour l'asservissement (spectre riche, laser He-Ne, laser Ar) Faible largeur naturelle Δ ν des transitions hyperfines Or λ, Δ ν Cheng et al., Optics Letters, 27 (2002) 532 nm Δ ν 200 kHz - 501,7 nm Δ ν 10 kHz puissance nécessaire 30 mW ν 0 ± Δ ν /2 Laser monomode longitudinal (Nd:YAG doublé en fréquence)

4 4 Actuellement à 501,7 nm Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Laser Argon : consommation élevée, encombrants, gigue fréquentielle (asservissement difficile) … Du Burck et al., IEEE J. Trans. Instrum. and Meas., 54 (2005). Pas de matériau solide émettant directement à 500 nm : IR Visible Laser Ti:Sa : Pompage diode indirect, émission à 1000 nm peu efficace … 2ω2ω Lasers solides directement pompés par diode émission monomode longitudinale 1003,4 nm. + doublement de fréquence 501,7 nm Laser Nd:YVO 4 pompé par diode (808 nm) et doublé en fréquence Ti:Sa 532 nm 1003,4 nm ω 2ω 501,7 nm Notre but :

5 5 Architecture générale Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Doublement de fréquence (1003,4 nm 501,7 nm) intracavité Régime continu Puissances de sortie IR modestes Solutions étudiées Solutions étudiées : Laser Yb 3+ :cristal doublé en fréquence Laser à Semiconducteurs Pompés Optiquement et doublé en fréquence (OPSL) λ 2ω 500 nm Cristal non linéaire milieu Laser λ ω 1000 nm Pompage optique par diode laser

6 6 Rappel du Plan Introduction et motivations de ces travaux Solution laser à base de cristaux dopés ytterbium – Choix des cristaux laser – Résultats expérimentaux Solution laser à base de semiconducteurs (OPSL – Laser à Semiconducteurs Pompé Optiquement) Comparaisons, conclusion et perspectives Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Bernard Ferrand CEA-LETI, Grenoble Bruno Viana LCAES, Paris

7 7 Généralités sur les Yb 3+ :cristaux S tructure électronique simple - 2 multiplets (ΔE=10000 cm -1 ) : Pas d'effets parasites (absorption par les états excités, upconversion …) Mais caractère quasi-3 niveaux (à l'équilibre absorption à λ L ) Pompage par diodes de puissance à nm : Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre F 5/2 2 F 7/2 1 µm 980 nm 900 nm absorption émission Yb:KYW

8 8 Un système "quasi-2 niveaux" Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Niveaux énergétiques du Yb:YSO Niveau terminal de la transition laser très proche du sous-niveau fondamental : 11 Absorption importante à λ L (σ aL ) Gain : I P > I Ptransp. Population thermique importante 30% N 1 Difficulté d'une émission à 1003 nm : Fortes intensités de pompe tout au long du cristal

9 9 Paramètres importants pour le choix des cristaux dopés Yb ( Paramètres importants pour le choix des cristaux dopés Yb (λ L = 1003 nm) Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Transparence à λ L : I Ptransp. Intensité pompe pour atteindre la λ Laser I Ptransp. faible – Seuil laser faible – Diode laser de puissance raisonnable Gain linéique "petit signal" : g L0 et g L0 élevé – Faible sensibilité face aux pertes introduites (éléments sélectifs en λ, cristal non linéaire, doublement, …)

10 10 Figure de mérite pour un effet laser à 1003 nm Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 YSO (900 nm) YSO (978 nm) KYW (931 nm) KYW (981 nm) YVO4 (985 nm) YAB (975 nm) YAG (940 nm) YAG (968 nm) CaF2 (922 nm) CaF2 (979 nm) KGW (935 nm) KGW (981 nm) -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5, YSO (900 nm) YSO (978 nm) KYW (931 nm) KYW (981 nm) YVO4 (985 nm) YAB (975 nm) YAG (940 nm) YAG (968 nm) CaF2 (922 nm) CaF2 (979 nm) KGW (935 nm) KGW (981 nm) -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5, G ain linéique petit signal (cm - 1 ) pour P pompe =1W sur un rayon de 50 µm G ain linéique petit signal (cm - 1 ) pour P pompe =1W sur un rayon de 50 µm (kW.cm -2 ) I Ptransp. Directions favorables 0 Matrice hôte (λ P ) 981 nm 931 nm Yb:KYW Cristaux retenus : - Yb:YSO 978 nm - Yb:KYW 981 nm - Yb:KYW 931 nm Yb 3+ :KY(WO 4 ) 2 – Yb:KYW : Tungstate Yb 3+ :Y 2 SiO 5 – Yb:YSO : Silicate I P > I Ptransp. tout au long du cristal I Diode kW.cm -2

11 11 Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Spectres des cristaux retenus Yb 3+ :KY(WO 4 ) 2 – Yb:KYW (commercial) Yb 3+ :Y 2 SiO 5 – Yb:YSO (non commercial) 1003 nm

12 12 De plus, … compétition des λ Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Section efficace de gain : σ g (g L = σ g N Tot ) β = N 2 /N tot : taux d'inversion de population σ g = β (σ eL + σ aL ) - σ aL N Tot :Concentration en Yb 3+ 0,0 0,5 1,0 0,75 Longueur d'onde (nm) σ g ( cm 2 ) Yb:YSO β = 25 % β = 20 % β = 15 % β = 10 % β = 5 % β grand I P grande 0,25

13 13 Où en est-on ? Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Obtenir l'effet laser à 1003 nm est un challenge Cristaux dopés Yb 3+ choisis, mais … – Comment atteindre I P élevée tout au long du cristal avec diode laser (divergence élevée) ? – Comment forcer l'oscillation à 1003 nm ? (sachant que "naturellement" λ Laser > 1020 nm) – λ Laser (1003 nm) et λ Pompe (980 nm) sont proches, comment les discriminer pour le pompage ?

14 14 Comment avoir I P élevée ? Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 La diode de pompe : – Diode brillante : 4W - 1 x 100 µm 980 nm géométrie rectangulaire / polarisée linéairement Intensités de pompe importantes tout au long du cristal : – Cristal fin (1 mm) et "fortement" dopé ( ions.m -3 ) : – Recycler la pompe non absorbée : I P > I Ptransp. tout au long du cristal + absorption (saturée) 50 % 1 2

15 15 Insérer des pertes importantes à toutes les λ > 1010 nm : Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Comment forcer l'oscillation laser à 1003 nm ? Transmission (%) θ θ 0,0 0,25 1,0 Longueur d'onde (nm) σ g ( cm 2 ) Yb:YSO β = 25 % "Filtre passe-bas" réalisé par un miroir dichroïque (HR 985 nm – HT 1040 nm) θ, λ Pertes mais, T ,75 0,5

16 16 Comment discriminer λ pompe et λ laser ? Dans les cas où λ P 980 nm (λ L = 1003 nm) : Miroirs d'entrée dichroïques "standards" (HT 980nm-HR 1020nm) inutilisables : Géométrie rectangulaire du faisceau de pompe + Miroirs d'entrée "coupés" HR 1000 nm Schéma de pompage hors d'axe – angle minimisé 3,5 mm Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre Recyclage 3,5 mm Yb:cristal

17 17 Schéma de pompage Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Diode de pompe Jacquemet et al., Applied Physics B, 78 (2004) Vue de côté Z Y L1L1 λ/2 C.S.P. S. P. L2L2 Miroir dentrée coupé Yb:cristal Système de Prismes Cube Séparateur de Polarisation 17 W P µm Vue de côté Z Y

18 18 Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre ,4 nm avec Yb:YSO En pompage diode Yb:cristal : λ L aussi basse pour la première fois ! Très faible défaut quantique 2,5 % Effet laser efficace à T ambiante L Cav 1,4 m – ISL = 210 MHz P max = 400 mW pour P P = 3,3 W T % 1,5 GHz Rotateur de Faraday θ 16°, T % Cavité en anneau : émission monomode longitudinale

19 19 Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Cavité pour le doublement de fréquence θ 8°, T ,5% P intra W Cristal non linéaire: KNbO 3 (9,5 mm) d eff 9 pm.V -1 >> d eff (LBO) 0,9 pm.V -1 Accord de phase Non-Critique Type I par la température ( 76 °C) Cristal non linéaire efficace (d eff élevé) Cristal non linéaire Minimiser les pertes à 1003 nm 501,7 nm W KNbO3 90 µm Rotateur de Faraday

20 20 Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Yb:YSO à 501,7 nm ,7 nm - P P 3,2W - η Opt-Opt = 1,5 % Jacquemet et al., Optics Express, 13 (2005) Puissance de pompe incidente à 978 nm (W) Puissance laser à 501 nm (mW) En régime monomode spectral Sans asservissement : Δυ < 3 MHz Courbe de transmission de lanalyseur FP 3 MHz ISL 1,5 GHz

21 21 Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Et sur le marbre …

22 22 Et le Yb:KYW !? Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 YSO (900 nm) YSO (978 nm) KYW (931 nm) KYW (981 nm) YVO4 (985 nm) YAB (975 nm) YAG (940 nm) YAG (968 nm) CaF2 (922 nm) CaF2 (979 nm) KGW (935 nm) KGW (981 nm) -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5, YSO (900 nm) YSO (978 nm) KYW (931 nm) KYW (981 nm) YVO4 (985 nm) YAB (975 nm) YAG (940 nm) YAG (968 nm) CaF2 (922 nm) CaF2 (979 nm) KGW (935 nm) KGW (981 nm) -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5, G ain linéique petit signal (cm - 1 ) pour P pompe =1W sur un rayon de 50 µm G ain linéique petit signal (cm - 1 ) pour P pompe =1W sur un rayon de 50 µm (kW.cm -2 ) I Ptransp. Directions favorables 0 Gain 1025 nm : insérer des pertes plus importantes θ KYW > θ YSO Yb:KYW : Un cristal commercial

23 23 Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Yb:KYW à 501,7 nm Yb:KYW : > ,7 nm Puissance de pompe incidente à 981 nm (W) Puissance laser à 501,7 nm (mW) En régime monomode spectral Effet laser à 1003 nm uniquement pour θ 16° (T %) Objectif atteint avec un cristal commercial

24 24 Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Comparaison des solutions Yb 501 nm atteint avec un laser tout solide pour la première fois. Meilleures performances à 501 nm (monomode spectral) : – Yb:YSO – 60 mW – η Opt-Opt = 1,5% (diode de pompe 4W) – Mais, cristal non commercial (pour l'instant !? …) Avec Yb:KYW (commercial) : – Pertes insérées plus importantes – P intra plus faible – Mais, puissance > nm Banc de pompage hors d'axe à 980 nm/résonateur "complexes" Une autre solution plus simple ?! Objectifs atteints

25 25 Rappel du Plan Introduction et motivations de ces travaux Solution laser à base de cristaux dopés ytterbium Solution laser à base de semiconducteurs (OPSL – Laser à Semiconducteurs Pompé Optiquement) – Principes généraux – Limitation thermique – Résultats expérimentaux Comparaisons, conclusion et perspectives Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Isabelle Sagnes LPN, Marcoussis Arnaud Garnache CEM2, Montpellier

26 26 Principe de fonctionnement Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Structure semiconductrice (½ VCSEL) = Miroir de Bragg (paires AlAs-GaAS λ/2n) + Zone active (puits quantiques InGaAs) sur substrat (GaAs) Montée en cavité étendue : ½ VCSEL + miroir(s) diélectrique(s) + pompage optique (simple) VCSEL : "Vertical-Cavity Surface Emitting Laser" = Laser à Semiconducteurs Pompé Optiquement

27 27 Gain des puits avec densité de porteurs Bande de gain large 20 nm Quand la T° des puits, le gain et la λ ( 0,35 nm.K -1 ) Les puits quantiques Barrières : absorption photons pompe Migration des porteurs dans les puits Recombinaison : émission à λ Laser Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

28 28 Avantages des OPSL Barrières GaAs absorbantes (λ < 870 nm) : – pompage par diode (808 nm) Faisceau de pompe + cavité externe : – contrôle de qualité spatiale : profil monomode transverse TEM 00 Bande de gain large + cavité externe : – choix de λ Laser par éléments intracavité Avantages combinés : lasers semiconducteurs + lasers solides : Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Choix des λ émission : – par les semiconducteurs (composition, épaisseurs) Puits quantiques aux ventres de londe laser : – pas de "hole burning" spatial – émission monomode longitudinale en cavité linéaire facilitée

29 29 Performances laser d'une structure classique sur GaAs Structure à 5 puits quantiques (In 0,2 Ga 0,8 As/GaAs) Miroir de Bragg R>99,5% Cavité plan concave (r=50 mm) T=1% W P = 50 µm (8W à 808 nm) Absorption env. 75% T Radiat. = 10°C Radiateur + module Peltier Puissance de pompe incidente à 808 nm (W) Puissance Laser (mW) 1001 nm 1007 nm GaAS Pourquoi une émission laser si peu efficace ? Les effets thermiques Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

30 30 Principale limitation : la thermique Substrat (300 µm) Création de chaleur dans la zone active (défaut quantique, désexcitations non radiatives) Evacuation thermique Pompage optique Pour R Th, K C et W P e principalement limitée par la résistance thermique du substrat R Th ~ e/( K C.W P ) (GaAs : K C 45 W.m -1.K -1 ) 2.W P Zone active 5 µm Radiateur Cu + Peltier Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

31 31 Technique du report Eliminer substrat GaAs - Remplacement par un matériau de bonne conductivité thermique : SiC (490 W.m -1.K -1 ) Procédé de collage par inter-diffusion liquide-solide © made in LPN J. Dion Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Pression, Température Polissage, Attaque chimique Couche darrêt Bragg + QW Au Support Substrat GaAs Ti 1 Émission 4 QW + Bragg Ti SiC In Au 2 Substrat GaAs 3 AuIn 2 SiC Substrat GaAs AuIn 2 SiC 270 µm 1 µm 5 µm

32 32 Améliorations apportées par le report 2 structures identiques (5 puits quantiques), substrats : – GaAs (structure originale) – épaisseur 350 µm – K C 45 W.m -1.K -1 – SiC (structure reportée) – épaisseur 270 µm – K C 490 W.m -1.K -1 Cavité plan-concave (r=50 mm), W P = 50 µm, T OC = 1% Report sur SiC nécessaire pour obtenir des puissances élevées dans l'infrarouge. Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

33 33 Résultats monomode à 1003 nm Structure sur SiC - W p =100 µm Cavité plan-concave r=100 mm, T 1% T Radiateur =10°C Sélection monomode spectrale avec un étalon FP (50 µm) étalon FP 50 µm 1,5 GHz L'insertion de pertes diminue P intra Emission monofréquence en cavité linéaire. P max 500 mW Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

34 34 Schéma expérimental à 502 nm Insertion d'éléments sélectifs (pertes) : – Filtre de Lyot (accordabilité grossière) – Etalon FP (100 µm) Structure sur SiC W P = 100 µm – W KNbO3 90 µm T° Radiateur = 10°C P intra 10 W 502 nm Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre nm Radiateur SiC R=200 mm HR 1 µm KNbO 3 et four W KNbO3 90 µm R=200 mm HR 1 µm HT 500 nm étalon FP 100 µm Filtre de Lyot Diode laser de pompe 808 nm R=75 mm HR 1 µm HT 500 nm

35 35 Résultats à 502 nm Objectifs atteints avec une architecture "simple" 60 mW pour 6 W de pompe Emission monomode longitudinale Analyseur Fabry-Perot (ISL 1,5 GHz) 6,5 MHz Sans asservissement : Δυ < 6,5 MHz Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

36 36 Mais … limitations P intra limitée par pertes (filtre, étalon, cristal NL) + décalage gain-λ : – Cavité simple – émission libre, P intra 100 W – Cavité 502 nm, P intra 10 W ½ structure VCSEL non optimisée pour monofréquence : – Longueur zone active p.λ/2n spectre large, accordable Instabilités monofréquence – sauts de modes : – instabilités/vibrations mécaniques – fluctuations de I P ( multimode – Ø P = 200 µm ) Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

37 37 Rappel du plan Introduction et motivations de ces travaux Solution laser à base de cristaux dopés ytterbium Solution laser à base de semiconducteurs (OPSL – Laser à Semiconducteurs Pompé Optiquement) Comparaisons, conclusion et perspectives Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

38 38 Comparaison "physique" Yb:cristaux : – Gain élevé (>20%) : pertes supportées – Sélection λ L 1003 nm délicate, mais fixe une fois atteinte ! – P intra limitée par "quasi-2 niveaux" ( W) Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 OPSL : – Gain faible (<5 %) : sensibilité aux pertes – Sélection λ L 1003 nm aisée, mais varie avec P P, T° … – P intra limité par le gain faible

39 39 Comparaison "technologique" Yb:cristaux : – pompage/résonateur complexe – bon rendement opt.-opt. total (1,5 %) – bonne stabilité monofréquence – accordabilité monofréquence aisée (IR) Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 OPSL : – pompage/résonateur simple – moins bon rendement opt.-opt. total (1 %) – stabilité monofréquence moyenne – accordabilité monofréquence + difficile (IR)

40 40 Conclusion Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Objectifs atteints : – Premières sources laser solides pompées par diodes, – P > ,7 nm monomode spectral, – lasers compacts et efficaces. Quel choix ? – Dans létat actuel : solution laser dopé Yb 3+ – Avec des développements complémentaires : OPSL

41 41 Perspectives Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Lasers dopés Yb 3+ : – Laser Yb:KYW pompé à 930 nm diode évasée ("tapered") I P > I Ptransp.. – Vers un transfert au LPL Villetaneuse-INM/Cnam pour spectroscopie de I 2 – stabilisation en fréquence. OPSL : – Nouveau design ½ VCSEL + report sur SiC Cavité plus simple (moins de pertes) Augmentation de P intra et de P visible

42 42 MERCI


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