1 développement de nouvelles sources émettant autour de 976 nm à base de matériaux dopés par...

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

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 + 912 nm 491 nm),doublement de fréquence.

Introduction

cristal non linéaire

976 nm 488 nm

Sources autour de 976 nm :lasers à semiconducteurs

diodes laser, VECSEL,matériaux dopés par des ions Yb3+.

3

absorptionémission

0

1

2

3

Sec

tion

effic

ace

(x 1

0-24

m2 )

800 900 1000 1100 1200Longueur d'onde (nm)

2F5/2

2F7/2

Yb

915

nm 915 nm 976 nmvraie trois niveaux 97

6 nm

fort gain vers 976 nm,réabsorption vers 976 nm :

pompage intense

Des matériaux dopés par des ions Yb3+

Les transitions disponibles :

Introduction

976

nm

2F5/2

2F7/2

Yb915 nm 1030 nm976 nm 1080 nmquasi-trois niveaux 97

6 nm

1030

nm

915

nm

silice dopée Yb

4

Quelle solution envisager...

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.

Introduction

5

Plan

Etude théorique de l'émission à 976 nmoptimisation 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

6

La transition :

Gain linéique à 976 nm :g = s

em N1- sabs N0, (s

em ~ sabs g ~ s

em (N1- N0))

Gain positif si Ipompe > intensité de transparence sabs,

(intensité minimale à 915 nm pour rendre le milieu transparent à 976 nm).

Simulation des sources à 976 nmEtude théorique de l'émission à 976 nm

multiplet excité 2F5/2

N1

multiplet fondamental 2F7/2

N0

1/

1/ << 1 ns

pompep

signals

pem

pabs

sabs

sem

7

Emission Spontanée Amplifiée (ASE)

Origineémission spontanée isotrope,mais guidage (indice ou gain) :

bidirectionnelle, amplifiée.

Conséquenceslimitation du gain en régime d'amplification à 976 nm.

Etude théorique de l'émission à 976 nm

ASE copropagative

ASE contrapropagative

pompe

1E-06

1E-05

1E-04

1E-03

1E-02

1E-01

1E+00

960 980 1000 1020 1040 106010-6

10-4

10-2

976 nm

1030 nm(négligeable)

Longueur d'onde (nm)

960 980 1000 1020 1040 1060

10 -6

10 -4

10 -2

1

Pui

ssan

ce n

orm

alis

ée (

u.a.

)éc

h. lo

g.

8

La modélisation utilisée

dPpdz

= σpemN1−σp

absN0⎛ ⎝ ⎜ ⎞

⎠ ⎟ Γp Pp

dPsdz

=us σsemN1−σs

absN0⎛ ⎝ ⎜ ⎞

⎠ ⎟ Γs Ps

dPASE±

dz=uASE

± σsemN1−σs

absN0⎛ ⎝ ⎜

⎞ ⎠ ⎟ ΓASE PASE

± +σsemN1 ΓASE

2hc2 ΔλASE

λASE3

Equations de propagation de la pompe, du signal et des ASE

terme source de l'ASE

N0

N1

pompesignalASE

: facteur derecouvrementus = ± 1u+

ASE = +1u-

ASE= -1

forte absorption à 976 nm


pompe

signal

ASE

Pp Ps

P-ASE

longueur L

faisceau gaussien cylindrique

P+ASE

9

Résolution numériqueavec 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 analytiquesans 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 ,puissance laser Plaser = (Pp - Pseuil).

signalpompe

Deux modèles principaux

Limite de validité : émission autour de 1030 nm négligeable.


pompe

signalsignal

amplifié

ASEcontra

ASEco

10

KGW

YAG

S-FAP

silice

KYW

0

20

40

60

0 10 20 30 40 50

Intensité de transparence (kW/cm2)

directionsfavorables

Choix de la matrice hôte des ions Yb3+

Critères :intensité de transparence faible,gain élevé,disponibilité commerciale.

* [S.Yiou et al., Appl.Opt. 42 (24) 2003]

Yb:S-FAP2 kW/cm2 / 50 cm-1,émission à 985 nm

(250 mW pour 1,5 W *),non disponible.

Yb:KY(WO4)2

27 kW/cm2 / 66 cm-1,émission à 981 nm,disponible commercialement.



Gai

n pe

tit s

igna

l lin

éiqu

eà

10 x

I tra

ns (

cm-1) Cristaux

fort gain linéique,divergence de la source

de pompage.

Fibres : silicefaible gain linéique,confinement de la pompe.

11

Plan


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,



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 = 16.10-24 m2,s

abs = 13.10-24 m2,

propagation parallèle à l'axe c.

KY(WO4)2 dopé par des ions Yb3+Emission dans un cristal de Yb:KYW

Longueur d'onde (nm)S

ectio

n ef

ficac

e (1

0-24

m2 )

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/cm2.

Emission dans un cristal de Yb:KYW

laserTi:Sa

Cristal de Yb:KYWlongueur : 1,5 mm,dopage : 10 %. réabsorption

à 981 nmmilieu

transparent

981 nm931 nm

2 ZR

faisceaude pompe faisceau

de cavité

14

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

980 981 982 983Longueur d'onde (nm)

0,14 nm


Pu

issa

nce

no

rma

lisé

e (

u.a

.)Emission dans un cristal de Yb:KYW

Emission laser à 981 nm

0

200

400

600

0 1 2

530 mW

= 30 %

Puissance de pompe incidente (W)

Pu

issa

nce

à 9

81

nm

(m

W)

laser entre les faces du cristal,qualité de faisceau : M2 ~ 1,1.

Cristal non traité anti-reflet

Yb:S-FAP : 250 mW pour 1,5 W

laserTi:Sa

1,5 mm

R ~ 11 %

15

laserTi:Sa

0

200

400

600

0 1 2

= 20 %

320 mW

0

200

400

600

0 1 2

simulation : réflexion sur coupleurdu laser Ti:Sa.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1


1,2 nm


Pu

issa

nce

no

rma

lisé

e (

u.a

.)

qualité de faisceau : M2 ~ 1,1.

Emission dans un cristal de Yb:KYW

ASE à 981 nm

Cristal non traité anti-reflet

Puissance de pompe incidente (W)

Pu

issa

nce

à 9

81

nm

(m

W)

0 1 20

200

400

600

[Bouchier et al., ASSP 2005]

16

recouvrement du faisceau de pompe et du faisceau intracavité dans le cristal.

faisceaude pompe

faisceaude cavité

microlaser

faisceaude pompe

faisceaude cavité

cavité à 3 miroirs


Sec

tion

effic

ace

(pm

2)

Yb:KYW

985 nm


Sec

tion

effic

ace

(pm

2)

1047 nm

850 950 1050 11500

4

8

12

Yb:S-FAP

compétition avec les autres longueurs d'onde insertion de pertes maximales.

émissionlaser

coupleur

laserTi:Sa

1,5 mm

émission à 981 nm faible :cavité 3 miroirs : 54 mW,

"microlaser" : 530 mW,

émission autour de 1000 - 1030 nm.

Emission laser "en cavité"Emission dans un cristal de Yb:KYW

Emission Yb:KYW :cristal traité anti-reflet

émissionlaser

coupleur

laserTi:Sa

Limitations :

17

KGW

YAG

S-FAP

silice

KYW

0

20

40

60

0 10 20 30 40 50


directionsfavorables

Cristauxeffet laser efficace (530 mW),ASE (320 mW),adaptation du mode de cavité,spectre.

Emission dans un cristal de Yb:KYWChoix de la matrice hôte des ions Yb3+


Gai

n pe

tit s

igna

l lin

éiqu

eà

10 x

Itra

ns (

cm-1)

Fibres : silicefaible gain linéique,confinement de la pompe.

18

Plan



Emission dans une fibre monomode dopée par des ions Yb3+

Régime continu et doublement de fréquence,



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

cristalnon linéaire

source infrarouge

976 nm 488 nm

P P2

Pcrête

élevéeP2

moy > P2

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

Ptrans

5 µm5 µm / 0,13

0,777 mW

faible puissance de transparence,

disponible commercialement,source de pompage limitée

par la diffraction.

cœur

pompe

double-cœurstandard

5 µm120 µm / 0,2

0,0023 W

double-cœurmicrostructurée

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]

ORCSouthampton

10 µm28 µm / 0,7

0,2100 mW


21

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+




tP

tP

fibre dopée

diode laserà 976 nm

source TEM00

à 915 nm

cristal non linéairet

Pt

P

fibre dopée


source TEM00

à 915 nm




Plan

fibre dopée

miroir d'entrée


coupleur de sortie

source TEM00

à 915 nm

22

0

1

2

3

4

5

0 10 20

Source laser spectralement affinée

laserNd:YVO4

à 914 nm

fibre monomodedopée Yb

réseau dediffraction

coupleur de sortie

(R ~ 4 %)

limité par la diffraction

Fibre dopée monomode : laser spectralement affiné

4 W

dopage = 4,8 x1025 cm-3

O.N. = 0,13diamètre de cœur = 5 µmlongueur de 10 à 50 cmclivée en angle

(INO Canada)

Puissance incidente à 808 nm (W)

Pui

ssan

ce à

914

nm

(W

)

Ppompe :

3 W

[Bouchier et al., IEEE PTL, 16 (9), 2004]

23


Le laser en image...

fibre d'injection


coupleur desortie

fibre monomodedopée Yb3+

laser Nd:YVO4

30 mm

réseau dediffraction

24

0,5

1,0

1,5

2,0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1Longueur de la fibre (m)

42 cm

Quelle longueur de fibre utiliser ?

Modèle analytique :

cavité :réseau - lame de verre,pertes : couplage,

puissance de pompe de 3 W.


0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0 1 2 3Puissance de pompe incidente

(W)Puissance incidente à 914 nm (W)

Pu

issa

nce

à 9

76

nm

(W

) = 72 %L = 40 cm

= 71 %

Longueur de la fibre (m)

Pu

issa

nce

à 9

76

nm

(W

)

Nd:YVO4

0,5

1,0

1,5

2,0


50 cm

40 cm

25

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

0 1 2 3Puissance incidente à 914 nm (W)

Longueur optimale : 40 cm( = 72 %)

1,E-04

1,E-03

1,E-02

1,E-01

1,E+00

970 1020 1070970 1000 1030 1060 1090Longueur d'onde (nm)

Pui

ssan

ce n

orm

alis

ée (

u.a.

)

10-4

10-2

1

Etude expérimentaleFibre dopée monomode : laser spectralement affiné

Puissance incidente à 914 nm (W)

Pui

ssan

ce à

976

nm

(W

)

40 cm

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

0 1 2 3Puissance incidente à 914 nm (W)

Fibre trop longue : 50 cm ( = 28 %)réabsorption à 976 nm,émission autour de 1030 nm.

50 cm

970 1000 1030 1060 1090Longueur d'onde (nm)

Pui

ssan

ce n

orm

alis

ée (

u.a.

)

10-6

10-4

1

10-2

1,E-06

1,E-05

1,E-04

1,E-03

1,E-02

1,E-01

1,E+00

970 1020 1070

26

Caractéristiques spectrales de la source

laser affiné spectralement

réseau dediffraction lame de verre

(R 4%)

Polarisation linéaire (50:1) et faisceau limité par la diffraction.


fibre dopée

Nd:YVO4

[Bouchier et al., Opt. Express, 13 (18), 2005]

laserbleu


conversion de fréquence

974 976 978 980 9820

1

2

Longueur d'onde (nm)P

uiss

ance

(W

)

6,6 nm0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

981,15 981,25 981,35 981,45

Pui

ssan

ceno

rmal

isée

(u.

a.)


978,1 978,25 978,40

0,4

0,8 0,02 nm

spectre accordabilité

27

Doublement de fréquence

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 :


sourceinfrarouge

976 nm

488 nm2

P puissance élevée à 976 nm,deff deff élevé,L cristal long,w0 faisceau petit.


P2P

2 deff2 L2

w02

28

Guide d'onde PP MgO:LNFibre 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 massif rayon de 25 µm,guide d'onde PPLN rayon de 1,5 x 2,5 µm2.

structure polariséepériodiquement

guide d'ondegravé

8,3 mm

2

SiO2MgO:LN 5 µm

3 µm

(prêt de J.M.Maillard (JDS Uniphase))

29

Dispositif expérimental

Sourceà 976 nm

/2

/2cube séparateurde polarisation

prisme de remiseen forme du faisceau

guide d'ondePP MgO:LN

(couplage 48 %)

= 488 nm


Acceptance spectrale : 0,14 nmlargeur spectrale,

Acceptance thermique : 2,4 °Crégulation en température

(50 °C 978 nm).Vue de dessus du guide :

entrée

sortie

3 µm

6 µm

30

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400Puissance à 978 nm (mW)

Résultat

Puissance à 488 nm hors du guide :

puissance en sortie du guide :83 mW,

efficacité interne :26 %.


Puissance à 976 nm dans le guide (mW)

Pui

ssan

ce à

488

nm

en s

ortie

du

guid

e (m

W)

limitation à forte puissanceinfrarouge incidente

gradient de Tchangement du pas

[Bouchier et al., Opt. Express, 13 (18), 2005]

31

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+




tP

tP

fibre dopée


source TEM00

à 915 nm



Plan

fibre dopée

miroir d'entrée


coupleur de sortie

source TEM00

à 915 nm

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

Pcrête = 7 mW,Pmoy de 0,1 à 7 mW.

cadence ?durée ?Pmoy ?

LCEà 976 nm

Nd:YVO4

à 914 nm

fibredopée


impulsionsamplifiées

longueur ?

gain ?puissance moyenne

à 488 nm

33

Quelle longueur de fibre utiliser ?

Modélisation avec ASE :puissance de pompe de 3 W à 914 nm.

0,0E+00

5,0E+01

1,0E+02

1,5E+02

2,0E+02

2,5E+02

3,0E+02


1.102

2.102

3.102

0,0E+00

5,0E+03

1,0E+04

1,5E+04

2,0E+04

2,5E+04

3,0E+04

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Gain avec ASEà 976 nm

Gain sans ASE

1.104

2.104

3.104

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.


Longueur de la fibre (m)Longueur de la fibre (m)

Gai

n

Gai

n

40 cm1.102

2.102

3.102

0

1.104

2.104

3.104

0

34

Simulation de la conversion

Optimisation de Pmoy à 976 nm avant amplification :

P2ω

moy= G Pωmoy(0)( )×Pω

crête(0)×T ×f ×Δt×tanh2 η×G Pωmoy(0)( ) ×Pω

crête(0)×T⎛ ⎝ ⎜

⎞ ⎠ ⎟


Puissance moyenne à 976 nm avantamplification (W)

Pui

ssan

ce m

oyen

neà

976

nm (

mW

)

Gain (dB

)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

1,0E-06

1,0E-05

1,0E-04

1,0E-03

1,0E-02

0

10

20

30

40

50

60

10-6 10-5 10-4 10-3 10-2

7 mW Pωcrête(L)

10-3 10-2 10-1 1

f x t

10-3 10-2 10-1 1

f x t

Puissance moyenne à 976 nm avantamplification (W)

Pui

ssan

ce m

oyen

neà

488

nm (

mW

)

Efficacité de

conversion interne (%)

0

50

100

150

200

250

1,0E-06

1,0E-05

1,0E-04

1,0E-03

1,0E-02

0

20

40

60

80

100

10-6 10-5 10-4 10-3 10-2

0,2 mW

efficaciténormalisée

transmissioncouplage

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

niveaud'ASE ou laser

amplificationdu signal

Gai

n lin

éiqu

e

0 1 2 3 4Temps (µs)

ASE et fond continu amplifié

amplification de l'impulsion

fond continuamplifié

Ecart entre impulsions ~ 3 µs

Pui

ssan

ceTemps (µs)

Impulsions trop longues :déformation des impulsions,énergie par impulsion ~ µJ.

saturation du gain

Temps

Gai

n lin

éiqu

e

durée : 200 ns

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

entrée

sortie

Temps (µs)

Pui

ssan

ce

0 20 40 60Temps (ns)

sortie

entrée

durée : 10 ns

Temps (ns)

Pui

ssan

ce

durée < 100 ns

Durée et cadence des impulsionsAmplification à 976 nm

36

laserNd:YVO4

à 914 nm

Dispositif expérimentalAmplification à 976 nm

fibre dopée

diode laser TEM00

en cavité étendueà 976 nm

sortie du LCE


réflexion del'ordre 1

réseau dediffraction enconfiguration

Littrow

impulsionsamplifiées

P

t


(couplage 57 %)

= 488 nmP

t

f de 1 à 13 MHz,t de 10 à 100 ns.

t

P7 mW

générateurd'impulsions

té de polarisation

courantcontinu

It

It

C L

R

37


Mesure du gain

puissances crêtes> 10 W

cadence :de 1 à 13 MHz,

durée :de 10 à 100 ns.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0


signalamplifiéeffet laser

signal incident :0,1 mW


Pu

issa

nce

no

rma

lisé

e (

u.a

.)

0

20

40

60

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Ga

in (

dB

)

Puissance moyenne incidente (mW)


Pu

issa

nce

no

rma

lisé

e (

u.a

.)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0


signal incident :1,1 mW

0

20

40

60

0 1 2 3 4 5 6

Ga

in (

dB

)

Puissance moyenne incidente (mW)

0 1 2 3 4 5 6

0

20

40

60

38

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

977 977,5 978 978,5 979


LCE en régimeimpulsionnel=0,3nm

LCE en régimecontinu

<0,07nm

Pu

issa

nce

no

rma

lisé

e (

u.a

.)


Doublement de fréquence

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 en sortie du guide :100 mW,

efficacité interne :34 %.0

20

40

60

80

100

120

0 100 200 300Puissance moyenne dansle guide à 976 nm (mW)

Pui

ssan

ce m

oyen

neen

sor

tie à

488

nm

(m

W)

Puissances hors du guide :

39

Plan



Emission dans une fibre monomode dopée par des ions Yb3+


40

continu :laser spectralement fin(2 W - 72 %),

pompage EDFA :(Alcatel - P. Bousselet)


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 Yb3+

impulsionnel :gains > 30 dB,Pcrête > 10 W,

ASE et laser parasites.

source bleue :Pmoy : 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


Perspectives

Cristaux : Yb:KYW Fibres monomodes dopées Yb3+

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

Merci de votre attention !

1 développement de nouvelles sources émettant autour de 976 nm à base de matériaux dopés par...

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