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

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

Introduction Or λ , Δν Cheng et al., Optics Letters , 27 (2002) Depuis 1983 : Définition du mètre à partir de la vitesse de la lumière (c0=299 792 458 m.s-1) Lasers asservis sur des transitions (hyperfines) moléculaires pour mettre en pratique le mètre. ν0 ± Δν/2 Laser monomode longitudinal Historiquement, 127I2 est une molécule très utilisée pour l'asservissement (spectre riche, laser He-Ne, laser Ar) Faible largeur naturelle Δν des transitions hyperfines Or λ , Δν Cheng et al., Optics Letters , 27 (2002) 532 nm Δν ≈ 200 kHz - 501,7 nm Δν ≈ 10 kHz (Nd:YAG doublé en fréquence) puissance nécessaire ≈ 30 mW Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

Laser Nd:YVO4 pompé par diode (808 nm) et doublé en fréquence Actuellement à 501,7 nm 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 … 2ω Laser Nd:YVO4 pompé par diode (808 nm) et doublé en fréquence Ti:Sa 532 nm 1003,4 nm ω 2ω 501,7 nm Notre but : Lasers solides directement pompés par diode émission monomode longitudinale 1003,4 nm. + doublement de fréquence 501,7 nm Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

Architecture générale Régime continu Puissances de sortie IR modestes Doublement de fréquence (1003,4 nm 501,7 nm) intracavité λ2ω ≈ 500 nm Cristal non linéaire milieu Laser λω ≈ 1000 nm Pompage optique par diode laser Solutions étudiées : Laser Yb3+:cristal doublé en fréquence Laser à Semiconducteurs Pompés Optiquement et doublé en fréquence (OPSL) Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 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 Bruno Viana LCAES, Paris Bernard Ferrand CEA-LETI, Grenoble Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

Généralités sur les Yb3+:cristaux Structure 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 λL) Pompage par diodes de puissance à 900-980 nm : Yb:KYW ≈ 900 nm 2F5/2 émission 980 nm ≈ 1 µm absorption 2F7/2 Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

Un système "quasi-2 niveaux" É nergie (cm - 1 ) 980 nm 1000 1040 1080 N 2 200 400 600 800 10000 10250 10500 10750 11000 Difficulté d'une émission à 1003 nm : Niveau terminal de la transition laser très proche du sous-niveau fondamental : Population thermique importante ≈ 30% N1 Absorption importante à λL (σaL) Gain : IP > IPtransp. Fortes intensités de pompe tout au long du cristal 1 1 Niveaux énergétiques du Yb:YSO Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Paramètres importants pour le choix des cristaux dopés Yb (λL = 1003 nm) Transparence à λL : IPtransp. Intensité pompe pour atteindre la transparence @ λLaser IPtransp. faible – Seuil laser faible – Diode laser de puissance raisonnable Gain linéique "petit signal" : gL0 et gL0 élevé – Faible sensibilité face aux pertes introduites (éléments sélectifs en λ, cristal non linéaire, doublement, …) Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

Figure de mérite pour un effet laser à 1003 nm Matrice hôte (λP) 981 nm 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 5,0 5 10 15 20 G ain linéique petit signal (cm - 1 ) pour P pompe =1W sur un rayon de 50 µm (kW.cm-2) IPtransp. Directions favorables Yb:KYW 931 nm Cristaux retenus : - Yb:YSO pompé @ 978 nm - Yb:KYW pompé @ 981 nm - Yb:KYW pompé @ 931 nm Yb3+:Y2SiO5 – Yb:YSO : Silicate IP > IPtransp. tout au long du cristal IDiode ≈ 30-60 kW.cm-2 Yb3+:KY(WO4)2 – Yb:KYW : Tungstate Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

Spectres des cristaux retenus ≈ 1003 nm ≈ 1003 nm Yb3+:KY(WO4)2 – Yb:KYW (commercial) Yb3+:Y2SiO5 – Yb:YSO (non commercial) Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

De plus, … compétition des λ É nergie (cm - 1 ) 980 nm 1000 1040 1080 Peuplement thermique N 2 200 400 600 800 10000 10250 10500 10750 11000 Section efficace de gain : σg (gL = σg NTot) β = N2/Ntot : taux d'inversion de population σg = β (σeL+ σaL) - σaL 1,0 Yb:YSO β = 25 % β = 20 % β = 15 % β = 10 % β = 5 % 0,75 σg (10-21 cm2) 0,5 0,25 NTot :Concentration en Yb3+ 0,0 β grand IP grande Longueur d'onde (nm) Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Où en est-on ? Obtenir l'effet laser à ≈ 1003 nm est un challenge Cristaux dopés Yb3+ choisis, mais … Comment atteindre IP élevée tout au long du cristal avec diode laser (divergence élevée) ? Comment forcer l'oscillation à 1003 nm ? (sachant que "naturellement" λLaser > 1020 nm) λLaser (1003 nm) et λPompe (980 nm) sont proches, comment les discriminer pour le pompage ? Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

Comment avoir IP élevée ? La diode de pompe : Diode brillante : 4W - 1 x 100 µm2 @ 980 nm géométrie rectangulaire / polarisée linéairement Intensités de pompe importantes tout au long du cristal : Cristal fin (1 mm) et "fortement" dopé (6-9.1026 ions.m-3): Recycler la pompe non absorbée : IP > IPtransp. tout au long du cristal + absorption (saturée) ≈ 50 % 1 2 Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

Comment forcer l'oscillation laser à 1003 nm ? Insérer des pertes importantes à toutes les λ > 1010 nm : Yb:YSO β = 25 % "Filtre passe-bas" réalisé par un miroir dichroïque (HR 985 nm – HT 1040 nm) 1,0 0,75 θ σg (10-21 cm2) 0,5 Transmission (%) θ 0,25 0,0 Longueur d'onde (nm) θ , λPertes mais, T1003 Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

Comment discriminer λpompe et λlaser ? Dans les cas où λP ≈ 980 nm (λL = 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 ≈3,5 mm Schéma de pompage hors d'axe – angle minimisé + Recyclage ≈ 3,5 mm Yb:cristal Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

Cube Séparateur de Polarisation Schéma de pompage Jacquemet et al., Applied Physics B, 78 (2004) Cube Séparateur de Polarisation L1 C.S.P. WP ≈ 50-70 µm Yb:cristal λ/2 Z Y Diode de pompe Système de Prismes S. P. Miroir d’entrée coupé L2 Vue de côté Z Y Vue de côté 17 Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

Performances @ 1003,4 nm avec Yb:YSO LCav≈1,4 m – ISL = 210 MHz Cavité en anneau : émission monomode longitudinale θ ≈ 16°, T1003 ≈ 5% 1,5 GHz Rotateur de Faraday Rotateur de Faraday En pompage diode Yb:cristal : λL aussi basse pour la première fois ! Très faible défaut quantique ≈ 2,5 % Effet laser efficace à Tambiante Pmax = 400 mW pour PP = 3,3 W T1003 ≈ 5% Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

Cavité pour le doublement de fréquence Minimiser les pertes à 1003 nm θ ≈ 8°, T1003 ≈ 0,5% Rotateur de Faraday 501,7 nm Pintra ≈ 15-20 W Cristal non linéaire WKNbO3 ≈ 90 µm Cristal non linéaire: KNbO3 (9,5 mm) deff ≈ 9 pm.V-1 >> deff (LBO)≈ 0,9 pm.V-1 Accord de phase Non-Critique Type I par la température (≈ 76 °C) Cristal non linéaire efficace (deff élevé) Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

En régime monomode spectral Yb:YSO à 501,7 nm En régime monomode spectral Puissance de pompe incidente à 978 nm (W) Puissance laser à 501 nm (mW) Sans asservissement : Δυ < 3 MHz Courbe de transmission de l’analyseur FP 3 MHz ISL ≈ 1,5 GHz 60 mW @ 501,7 nm - PP ≈ 3,2W - ηOpt-Opt = 1,5 % Jacquemet et al., Optics Express, 13 (2005) Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

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

Et le Yb:KYW !? Yb:KYW : Un cristal commercial 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 5,0 5 10 15 20 G ain linéique petit signal (cm - 1 ) pour P pompe =1W sur un rayon de 50 µm (kW.cm-2) IPtransp. Directions favorables Gain important @ 1025 nm : insérer des pertes plus importantes θKYW > θYSO Yb:KYW : Un cristal commercial Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

Yb:KYW à 501,7 nm Objectif atteint avec un cristal commercial Yb:KYW : Effet laser à 1003 nm uniquement pour θ ≈ 16° (T1003 ≈ 5%) En régime monomode spectral Puissance laser à 501,7 nm (mW) Yb:KYW : > 35 mW @ 501,7 nm Objectif atteint avec un cristal commercial Puissance de pompe incidente à 981 nm (W) 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 – ηOpt-Opt = 1,5% (diode de pompe 4W) Mais, cristal non commercial (pour l'instant !? …) Avec Yb:KYW (commercial) : Pertes insérées plus importantes – Pintra plus faible Mais, puissance > 35 mW @ 501 nm     Objectifs atteints Banc de pompage hors d'axe à 980 nm/résonateur "complexes" Une autre solution plus simple ?! Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 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 Isabelle Sagnes LPN, Marcoussis Arnaud Garnache CEM2, Montpellier Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

Principe de fonctionnement VCSEL : "Vertical-Cavity Surface Emitting Laser" 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) = Laser à Semiconducteurs Pompé Optiquement Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Les puits quantiques Barrières : absorption photons pompe Migration des porteurs dans les puits Recombinaison : émission à λLaser 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) Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

Avantages combinés : lasers semiconducteurs + lasers solides : Avantages des OPSL Avantages combinés : lasers semiconducteurs + lasers solides : Choix des λémission : par les semiconducteurs (composition, épaisseurs) Puits quantiques aux ventres de l’onde laser : pas de "hole burning" spatial – émission monomode longitudinale en cavité linéaire facilitée Barrières GaAs absorbantes (λ < 870 nm) : pompage par diode (808 nm) Faisceau de pompe + cavité externe : contrôle de qualité spatiale : profil monomode transverse TEM00 Bande de gain large + cavité externe : choix de λLaser par éléments intracavité Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

Performances laser d'une structure classique sur GaAs Structure à 5 puits quantiques (In0,2Ga0,8As/GaAs) Miroir de Bragg R>99,5% Cavité plan concave (r=50 mm) T=1% WP = 50 µm (8W à 808 nm) Absorption env. 75% TRadiat. = 10°C Radiateur + module Peltier Puissance de pompe incidente à 808 nm (W) Puissance Laser (mW) 1007 nm GaAS 1001 nm Pourquoi une émission laser si peu efficace ? Les effets thermiques Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

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

Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 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 SiC In Au 2 Substrat GaAs Émission ≈ 5 µm 3 AuIn2 SiC Substrat GaAs QW + Bragg Au Support Substrat GaAs Bragg + QW Ti AuIn2 SiC Couche d’arrêt Pression, Température Polissage, Attaque chimique Ti 1 4 270 µm ≈ 1 µm © made in LPN J. Dion Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

Améliorations apportées par le report 2 structures identiques (5 puits quantiques), substrats ≠ : GaAs (structure originale) – épaisseur 350 µm – KC ≈ 45 W.m-1.K-1 SiC (structure reportée) – épaisseur 270 µm – KC ≈ 490 W.m-1.K-1 Cavité plan-concave (r=50 mm), WP = 50 µm, TOC = 1% Report sur SiC nécessaire pour obtenir des puissances élevées dans l'infrarouge. Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

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

Schéma expérimental à 502 nm Radiateur SiC R=200 mm HR 1 µm KNbO3 et four WKNbO3≈ 90 µm HT 500 nm étalon FP 100 µm Filtre de Lyot Diode laser de pompe fibrée @ 808 nm R=75 mm Insertion d'éléments sélectifs (pertes) : Filtre de Lyot (accordabilité grossière) Etalon FP (100 µm) Structure sur SiC WP = 100 µm – WKNbO3 ≈ 90 µm T°Radiateur = 10°C Pintra ≈ 10 W 502 nm 502 nm Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

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

Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Mais … limitations Pintra limitée par pertes (filtre, étalon, cristal NL) + décalage gain-λ : Cavité simple – émission libre, Pintra ≈ 100 W Cavité "monofréquence"@ 502 nm, Pintra ≈ 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 IP (multimode – ØP = 200 µm) Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 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

Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Comparaison "physique" Yb:cristaux : Gain élevé (>20%) : pertes supportées Sélection λL≈1003 nm délicate, mais fixe une fois atteinte ! Pintra limitée par "quasi-2 niveaux" (≈ 20-30 W) OPSL : Gain faible (<5 %) : sensibilité aux pertes Sélection λL≈1003 nm aisée, mais varie avec PP, T° … Pintra limité par le gain faible Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

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

Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Conclusion Objectifs atteints : Premières sources laser solides pompées par diodes, P > 30 mW @ 501,7 nm monomode spectral, lasers compacts et efficaces. Quel choix ? Dans l’état actuel : solution laser dopé Yb3+ Avec des développements complémentaires : OPSL Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Perspectives Lasers dopés Yb3+ : Laser Yb:KYW pompé à 930 nm diode évasée ("tapered") IP > IPtransp.. Vers un transfert au LPL Villetaneuse-INM/Cnam pour spectroscopie de I2 – stabilisation en fréquence. OPSL : Nouveau design ½ VCSEL + report sur SiC Cavité plus simple (moins de pertes) Augmentation de Pintra et de Pvisible Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

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