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

But de notre étude Sources bleues solides à 488 nm : Introduction 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 + 912 nm  491 nm), doublement de fréquence. cristal non linéaire 976 nm 488 nm Sources autour de 976 nm : lasers à semiconducteurs diodes laser, VECSEL, matériaux dopés par des ions Yb3+.

Des matériaux dopés par des ions Yb3+ Introduction Les transitions disponibles : 2F5/2 2F7/2 Yb 915 nm 915 nm 976 nm vraie trois niveaux 976 nm fort gain vers 976 nm, réabsorption vers 976 nm : pompage intense 976 nm 2F5/2 2F7/2 Yb 915 nm 1030 nm 976 nm 1080 nm quasi-trois niveaux 1030 nm 915 nm silice dopée Yb absorption émission 1 2 3 Section efficace (x 10-24 m2) 800 900 1000 1100 1200 Longueur d'onde (nm)

Quelle solution envisager... Introduction Cristaux dopés par des ions ytterbium : grand choix de matrices : YAG, YVO4, S-FAP, KGW, KYW... fort gain à 976 nm. Fibres dopées par des ions ytterbium : grande longueur d'interaction, pas d'effet thermique.

Plan Etude théorique de l'émission à 976 nm optimisation des paramètres de l'effet laser, de l'amplification. Emission dans un cristal de KY(WO4)2 dopé par des ions Yb3+ étude préliminaire en pompage par laser à saphir dopé au titane, limitations des cristaux. Emission dans une fibre monomode dopée par des ions Yb3+ Régime continu et doublement de fréquence, Régime impulsionnel et doublement de fréquence. Conclusions et perspectives

Simulation des sources à 976 nm Etude théorique de l'émission à 976 nm La transition : Gain linéique à 976 nm : g = ssem N1- ssabs N0, (ssem ~ ssabs  g ~ ssem (N1- N0)) Gain positif si Ipompe > intensité de transparence  ssabs, (intensité minimale à 915 nm pour rendre le milieu transparent à 976 nm). multiplet excité 2F5/2  N1 multiplet fondamental 2F7/2  N0 1/t 1/g << 1 ns pompe lp signal ls spem spabs ssabs ssem

Emission Spontanée Amplifiée (ASE) Etude théorique de l'émission à 976 nm Origine émission spontanée isotrope, mais guidage (indice ou gain) :  bidirectionnelle,  amplifiée. Conséquences limitation du gain en régime d'amplification à 976 nm. 976 nm 1030 nm (négligeable) Longueur d'onde (nm) 960 980 1000 1020 1040 1060 10 -6 10 -4 10 -2 1 Puissance normalisée (u.a.) éch. log. ASE copropagative contrapropagative pompe

La modélisation utilisée Etude théorique de l'émission à 976 nm Equations de propagation de la pompe, du signal et des ASE Pp Ps P-ASE longueur L faisceau gaussien cylindrique P+ASE G : facteur de recouvrement us = ± 1 u+ASE = +1 u-ASE = -1 N0 N1 pompe signal ASE pompe signal ASE forte absorption à 976 nm terme source de l'ASE

Deux modèles principaux Etude théorique de l'émission à 976 nm 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 Pseuil, efficacité h, puissance laser Plaser = h (Pp - Pseuil). 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. pompe signal amplifié ASE contra co signal pompe Limite de validité : émission autour de 1030 nm négligeable.

Choix de la matrice hôte des ions Yb3+ Etude théorique de l'émission à 976 nm Critères : intensité de transparence faible, gain élevé, disponibilité commerciale. Yb:KY(WO4)2 27 kW/cm2 / 66 cm-1, émission à 981 nm, disponible commercialement. Cristaux fort gain linéique, divergence de la source de pompage. Fibres : silice faible gain linéique, confinement de la pompe. * [S.Yiou et al., Appl.Opt. 42 (24) 2003] Yb:S-FAP 2 kW/cm2 / 50 cm-1, émission à 985 nm (250 mW pour 1,5 W *), non disponible. Gain petit signal linéique à 10 x Itrans (cm-1) Intensité de transparence (kW/cm2)

Plan Etude théorique de l'émission à 976 nm Emission dans un cristal de KY(WO4)2 dopé par des ions Yb3+ étude préliminaire en pompage par laser à saphir dopé au titane, limitations des cristaux. Emission dans une fibre monomode dopée par des ions Yb3+ Régime continu et doublement de fréquence, Régime impulsionnel et doublement de fréquence. Conclusions et perspectives

KY(WO4)2 dopé par des ions Yb3+ Emission dans un cristal de Yb:KYW 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), ssem = 16.10-24 m2, ssabs = 13.10-24 m2, propagation parallèle à l'axe c. Longueur d'onde (nm) Section efficace (10-24 m2)

Dispositif expérimental Emission dans un cristal de Yb:KYW 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/cm2. Cristal de Yb:KYW longueur : 1,5 mm, dopage : 10 %. réabsorption à 981 nm milieu transparent 981 nm 931 nm 2 ZR faisceau de pompe de cavité laser Ti:Sa

Emission laser à 981 nm Cristal non traité anti-reflet Emission dans un cristal de Yb:KYW Cristal non traité anti-reflet laser Ti:Sa 1,5 mm R ~ 11 % 0,14 nm Longueur d'onde (nm) Puissance normalisée (u.a.) 530 mW h = 30 % Puissance de pompe incidente (W) Puissance à 981 nm (mW) laser entre les faces du cristal, qualité de faisceau : M2 ~ 1,1. Yb:S-FAP : 250 mW pour 1,5 W

ASE à 981 nm Cristal non traité anti-reflet Emission dans un cristal de Yb:KYW Cristal non traité anti-reflet laser Ti:Sa simulation : réflexion sur coupleur du laser Ti:Sa. 600 h = 20 % 320 mW 400 Puissance normalisée (u.a.) Puissance à 981 nm (mW) 1,2 nm 200 1 2 Longueur d'onde (nm) Puissance de pompe incidente (W) qualité de faisceau : M2 ~ 1,1. [Bouchier et al., ASSP 2005]

Emission laser "en cavité" Emission dans un cristal de Yb:KYW Emission Yb:KYW : cristal traité anti-reflet émission laser coupleur Ti:Sa Limitations : émission laser coupleur Ti:Sa 1,5 mm émission à 981 nm faible : cavité 3 miroirs : 54 mW, "microlaser" : 530 mW, émission autour de 1000 - 1030 nm. Longueur d'onde (nm) Section efficace (pm2) Yb:KYW 985 nm Section efficace (pm2) 1047 nm 850 950 1050 1150 4 8 12 Yb:S-FAP compétition avec les autres longueurs d'onde  insertion de pertes maximales. recouvrement du faisceau de pompe et du faisceau intracavité dans le cristal. faisceau de pompe de cavité microlaser cavité à 3 miroirs

Choix de la matrice hôte des ions Yb3+ Emission dans un cristal de Yb:KYW Cristaux effet laser efficace (530 mW), ASE (320 mW), adaptation du mode de cavité, spectre. Gain petit signal linéique à 10 x Itrans (cm-1) Fibres : silice faible gain linéique, confinement de la pompe. Intensité de transparence (kW/cm2)

Plan Etude théorique de l'émission à 976 nm Emission dans un cristal de KY(WO4)2 dopé par des ions Yb3+ Emission dans une fibre monomode dopée par des ions Yb3+ Régime continu et doublement de fréquence, Régime impulsionnel et doublement de fréquence. Conclusions et perspectives

Etude des fibres dopées Emission dans une fibre dopée monomode 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. cristal non linéaire P P2w continue 976 nm 488 nm impulsionnelle source infrarouge Pcrête élevée P2wmoy > P2w

Quel type de fibre dopée choisir ? Emission dans une fibre dopée monomode Puissance à 915 nm pour atteindre la transparence autour de 976 nm : faible puissance de transparence, disponible commercialement, source de pompage limitée par la diffraction. monomode cœur pompe / ON Gp Ptrans 5 µm 5 µm / 0,13 0,77 7 mW 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 cœur = pompe

Plan Etude théorique de l'émission à 976 nm Emission dans une fibre dopée monomode Etude théorique de l'émission à 976 nm Emission dans un cristal de KY(WO4)2 dopé par des ions Yb3+ Emission dans une fibre monomode dopée par des ions Yb3+ Régime continu et doublement de fréquence, Régime impulsionnel et doublement de fréquence. Conclusions et perspectives fibre dopée miroir d'entrée cristal non linéaire coupleur de sortie source TEM00 à 915 nm t P fibre dopée diode laser à 976 nm source TEM00 à 915 nm cristal non linéaire Régime impulsionnel et doublement de fréquence. t P fibre dopée diode laser à 976 nm source TEM00 à 915 nm cristal non linéaire

Source laser spectralement affinée Fibre dopée monomode : laser spectralement affiné réseau de diffraction coupleur de sortie (R ~ 4 %) Ppompe : 3 W laser Nd:YVO4 à 914 nm 4 W limité par la diffraction fibre monomode dopée Yb dopage = 4,8 x1025 cm-3 O.N. = 0,13 diamètre de cœur = 5 µm longueur de 10 à 50 cm clivée en angle (INO Canada) Puissance à 914 nm (W) Puissance incidente à 808 nm (W) [Bouchier et al., IEEE PTL, 16 (9), 2004]

Le laser en image... laser Nd:YVO4 30 mm coupleur de sortie réseau de Fibre dopée monomode : laser spectralement affiné laser Nd:YVO4 30 mm coupleur de sortie réseau de diffraction fibre d'injection fibre monomode dopée Yb3+ diode laser à 808 nm

Quelle longueur de fibre utiliser ? Fibre dopée monomode : laser spectralement affiné Modèle analytique : cavité : réseau - lame de verre, pertes : couplage, puissance de pompe de 3 W. Nd:YVO4 50 cm 40 cm 42 cm Puissance incidente à 914 nm (W) Puissance à 976 nm (W) h = 72 % L = 40 cm h = 71 % Puissance à 976 nm (W) Longueur de la fibre (m)

Etude expérimentale Longueur optimale : 40 cm (h = 72 %) Fibre dopée monomode : laser spectralement affiné Longueur optimale : 40 cm (h = 72 %) 970 1000 1030 1060 1090 Longueur d'onde (nm) Puissance normalisée (u.a.) 10-4 10-2 1 Fibre trop longue : 50 cm (h = 28 %) réabsorption à 976 nm, émission autour de 1030 nm. 50 cm 970 1000 1030 1060 1090 Longueur d'onde (nm) Puissance normalisée (u.a.) 10-6 10-4 1 10-2 40 cm Puissance à 976 nm (W) Puissance incidente à 914 nm (W)

Caractéristiques spectrales de la source Fibre dopée monomode : laser spectralement affiné laser affiné spectralement réseau de diffraction lame de verre (R  4%) fibre dopée Nd:YVO4 laser bleu cristal non linéaire conversion de fréquence spectre accordabilité normalisée (u.a.) Puissance Longueur d'onde (nm) 978,1 978,25 978,4 0,4 0,8 Dl  0,02 nm 974 976 978 980 982 1 2 Longueur d'onde (nm) Puissance (W) 6,6 nm Polarisation linéaire (50:1) et faisceau limité par la diffraction. [Bouchier et al., Opt. Express, 13 (18), 2005]

Doublement de fréquence Fibre dopée monomode : laser spectralement affiné Choix du matériau : extracavité, matériau non linéaire très efficace : KNbO3 9 pm / V, LiNbO3 9 pm / V, PPLN 17 pm / V. Choix de la configuration : cristal non linéaire source infrarouge 976 nm w 488 nm 2 w Pw puissance élevée à 976 nm, deff deff élevé, L cristal long, w0 faisceau petit. P2w  Pw2 deff2 L2 w02

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 w et 2w, grande longueur d'interaction, faisceau petit. Comparaison sur des cristaux de 8,3 mm de long : PPLN massif rayon de 25 µm, guide d'onde PPLN rayon de 1,5 x 2,5 µm2. structure polarisée périodiquement guide d'onde gravé 8,3 mm 2w w SiO2 MgO:LN 5 µm 3 µm (prêt de J.M.Maillard (JDS Uniphase))

Dispositif expérimental 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 Source à 976 nm l/2 cube séparateur de polarisation prisme de remise en forme du faisceau guide d'onde PP MgO:LN (couplage 48 %) l = 488 nm 3 µm 6 µm

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

Plan Etude théorique de l'émission à 976 nm Emission dans une fibre dopée monomode Etude théorique de l'émission à 976 nm Emission dans un cristal de KY(WO4)2 dopé par des ions Yb3+ Emission dans une fibre monomode dopée par des ions Yb3+ Régime continu et doublement de fréquence, Régime impulsionnel et doublement de fréquence. Conclusions et perspectives fibre dopée miroir d'entrée cristal non linéaire coupleur de sortie source TEM00 à 915 nm t P fibre dopée diode laser à 976 nm source TEM00 à 915 nm cristal non linéaire

Amplification dans une fibre dopée Amplification à 976 nm 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. longueur ? gain ? cadence ? durée ? Pmoy ? LCE à 976 nm Nd:YVO4 à 914 nm fibre dopée guide d'onde PP MgO:LN impulsions amplifiées 3 W Pcrête = 7 mW, Pmoy de 0,1 à 7 mW. puissance moyenne à 488 nm

Quelle longueur de fibre utiliser ? Amplification à 976 nm Modélisation avec ASE : puissance de pompe de 3 W à 914 nm. 3.102 3.104 40 cm 2.102 2.104 Gain Gain 1.102 1.104 Longueur de la fibre (m) Longueur de la fibre (m) Régime d'extraction Régime d'amplification : de la puissance : Pmoy incidente : 7 mW, Pmoy incidente : 0,1 mW, gain ~ 24 dB, gain ~ 44 dB, longueur optimale : 48 cm. longueur optimale : 43 cm.

Simulation de la conversion Amplification à 976 nm Optimisation de Pmoy à 976 nm avant amplification : efficacité normalisée transmission couplage 7 mW 10-3 10-2 10-1 1 f x Dt Puissance moyenne à 976 nm avant amplification (W) Puissance moyenne à 976 nm (mW) Gain (dB) Puissance moyenne à 976 nm avant amplification (W) Puissance moyenne à 488 nm (mW) conversion interne (%) Efficacité de 0,2 mW

Durée et cadence des impulsions Amplification à 976 nm 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) durée < 100 ns 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) durée des impulsions < 100 ns, cadence > 5 MHz

Dispositif expérimental Amplification à 976 nm f de 1 à 13 MHz, Dt de 10 à 100 ns. t P 7 mW générateur d'impulsions té de polarisation courant continu I C L R laser Nd:YVO4 à 914 nm fibre dopée diode laser TEM00 en cavité étendue à 976 nm impulsions amplifiées P t guide d'onde PP MgO:LN (couplage 57 %) l = 488 nm P t sortie du LCE diode laser à 976 nm réflexion de l'ordre 1 réseau de diffraction en configuration Littrow

Mesure du gain signal incident : 1,1 mW cadence : de 1 à 13 MHz, Amplification à 976 nm Gain (dB) Puissance moyenne incidente (mW) Longueur d'onde (nm) Puissance normalisée (u.a.) signal incident : 1,1 mW cadence : de 1 à 13 MHz, durée : de 10 à 100 ns. puissances crêtes > 10 W signal incident : 0,1 mW Longueur d'onde (nm) Puissance normalisée (u.a.) Gain (dB) Puissance moyenne incidente (mW) 1 2 3 4 5 6 20 40 60

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

Plan Etude théorique de l'émission à 976 nm Emission dans un cristal de KY(WO4)2 dopé par des ions Yb3+ Emission dans une fibre monomode dopée par des ions Yb3+ Conclusions et perspectives

Bilan sur la transition à 976 nm Conclusions et perspectives Cristaux : Yb:KYW Fibres monomodes dopées Yb3+ impulsionnel : gains > 30 dB, Pcrête > 10 W, ASE et laser parasites. continu : oscillation laser (530 mW - 30 %), ASE (230 mW - 20 %), adaptation du mode de cavité, spectre. continu : laser spectralement fin (2 W - 72 %), pompage EDFA : (Alcatel - P. Bousselet) source bleue : puissance : 83 mW, efficacité interne : 26 %, gradient de température. continu : laser spectralement fin (2 W - 72 %), pompage EDFA, puissance à 915 nm. source bleue : Pmoy : 100 mW, efficacité interne : 34 %, largeur spectrale LCE.

Fibres monomodes dopées Yb3+ Perspectives Conclusions et perspectives Cristaux : Yb:KYW Fibres monomodes dopées Yb3+ continu : augmentation de la puissance de pompe, laser de pompe fibré. impulsionnel : optimisation du microlaser, pompage par diode : diodes brillantes (diodes tapered...), exploitation du gain : amplification à 981 nm. source bleue : augmentation du couplage, régulation du gradient de température. stabilisation du signal (diode DFB à 976 nm).

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