1 sources laser solides, pompées par diode, émettant autour de 1000 et 500 nm, à base de cristaux...

1

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

Équipe Lasers Solides et ApplicationsLaboratoire Charles Fabry de l’Institut d’OptiqueLaboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique

Directeur de thèseDirecteur de thèse : François BALEMBOIS : François BALEMBOIS

Mathieu Mathieu JACQUEMETJACQUEMET

LNE-INM/CNAM, Paris

Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

http://www-leti.cea.fr/Leti-UK/M_an-report-uk/report-introduction-uk.htm

2

Plan de la présentationPlan 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


3

IntroductionIntroduction 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.


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

puissance nécessaire ≈ 30 mW

ν0 ± Δν/2

Laser monofréquence molécules absorbantes

Asservissement

0ν

Laser monofréquence molécules absorbantes

Asservissement

0ν

Laser monomode longitudinal

(Nd:YAG doublé en fréquence)

4

Actuellement à 501,7 nmActuellement 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

Lasers solides Lasers solides directementdirectement pompés par pompés par diodediode

émission monomode longitudinale 1003,4 émission monomode longitudinale 1003,4 nm.nm.

+ doublement de fréquence 501,7 nm+ doublement de fréquence 501,7 nm

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 :

5

Architecture généraleArchitecture générale


Doublement de fréquence (1003,4 nm 501,7 nm) intracavité

Régime continu Puissances de sortie IR modestes

Solutions étudiéesSolutions étudiées :

Laser Yb3+:cristal doublé en fréquence

Laser à Semiconducteurs Pompés Optiquement et doublé en fréquence (OPSL)

λ2ω ≈ 500 nm

Cristal non linéaire

milieu Laser

λω ≈ 1000 nm

Pompage optique par diode laser

6

Rappel du PlanRappel du Plan



– Choix des cristaux laser

– Résultats expérimentaux




Bernard FerrandCEA-LETI, Grenoble

Bruno VianaLCAES, Paris

http://www-leti.cea.fr/Leti-UK/M_an-report-uk/report-introduction-uk.htm

7

Généralités sur les Généralités sur les YbYb3+3+:cristaux: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 :


2F5/2

2F7/2

≈ 1 µm980 nm

≈ 900 nm

absorption

émission

Yb:KYW

8

Un système "quasi-2 Un système "quasi-2 niveaux"niveaux"


Niveaux énergétiques du Yb:YSO

Niveau terminal de la transition laser très proche du sous-niveau fondamental :

É nerg

ie (

cm

-1)

980 nm

1000 nm

1040 nm

1080 nm

N

N2

0

200

400

600

800

10000

10250

10500

10750

11000

É nerg

ie (

cm

-1)

980 nm

1000 nm

1040 nm

1080 nm

N

N2

0

200

400

600

800

10000

10250

10500

10750

11000

11

Absorption importante à λL (σaL)

Gain : IP > IPtransp.

Population thermique importante ≈ 30% N1

Difficulté d'une émission à 1003 nm :

Fortes intensités de pompe tout au long du

cristal

9

Paramètres importants pour le choix Paramètres importants pour le choix des cristaux dopés Yb 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

ePaLaPeLP

aLPtransp

chI

..

...

Gain linéique "petit signal" : gL0

et

gL0 élevé – Faible sensibilité face aux pertes introduites

(éléments sélectifs en λ, cristal non linéaire, doublement, …)

12 .. NNg aLeLL

1..

...0

PPePaP

aLPPePaLaPeLL Ihc

Ihcg

10

Figure de mérite pour un effet laser à Figure de mérite pour un effet laser à 1003 nm1003 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

0 5 10 15 20YSO (900 nm)


KYW (981 nm)


YAG (940 nm)


KGW (935 nm)

KGW (981 nm)

-1,0

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

0 5 10 15 20

Gain

lin

éiq

ue p

eti

t sig

nal (c

m-1)

pou

r P p

om

pe

=1W

su

r u

n r

ayon

de 5

0 µ

mGain

lin

éiq

ue p

eti

t sig

nal (c

m-1)

pou

r P p

om

pe

=1W

su

r u

n r

ayon

de 5

0 µ

m

(kW.cm-2)IPtransp.

Directions favorables

0

Matrice hôte (λP)

981 nm

931 nm

Yb:KYW

Cristaux retenus :

- Yb:YSO pompé @ 978 nm

- Yb:KYW pompé @ 981 nm- Yb:KYW pompé @ 931

nm

Yb3+:KY(WO4)2 – Yb:KYW : Tungstate

Yb3+:Y2SiO5 – Yb:YSO : Silicate IP > IPtransp. tout au long du

cristal

IDiode ≈ 30-60 kW.cm-2

11


Spectres des cristaux Spectres des cristaux retenusretenus

Yb3+:KY(WO4)2 – Yb:KYW

(commercial)

Yb3+:Y2SiO5 – Yb:YSO

(non commercial)

≈ 1003 nm

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

950 975 1000 1025 1050 1075 1100

Emission X

Absorption X

≈ 1003 nm

12

980 1000 1020 1040 1060 1080 1100

De plus, … compétition des De plus, … compétition des λλ


Section efficace de gain : σg (gL = σg NTot)

β = N2/Ntot : taux d'inversion de population

σg = β (σeL+ σaL) - σaL

NTot :Concentration en Yb3+

0,0

0,5

1,0

0,75

Longueur d'onde (nm)

σg (

10

-21 c

m2)

Yb:YSO β = 25 %

β = 20 % β = 15 %β = 10 %β = 5 %

É nerg

ie (

cm-1

)

980 nm

1000 nm

1040 nm

1080 nm

Peuplement thermique

N1

N2

0

200

400

600

800

10000

10250

10500

10750

11000

É nerg

ie (

cm-1

)

980 nm

1000 nm

1040 nm

1080 nm

Peuplement thermique

N1

N2

0

200

400

600

800

10000

10250

10500

10750

11000

β grand IP grande

0,25

13

Où en est-on ?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 ?

14

Comment avoir IComment avoir IPP élevée ? 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

15

980 1000 1020 1040 1060 1080 1100

Insérer des pertes importantes à toutes les λ > 1010 nm :


Comment forcer l'oscillation laser à Comment forcer l'oscillation laser à 1003 nm ?1003 nm ?

0

20

40

60

80

100

980 1000 1020 1040 1060

0°

8°

16°

Transmission (%)

θ

θ

0,0

0,25

1,0

Longueur d'onde (nm)

σg (

10

-21 c

m2)

Yb:YSO

β = 25 % "Filtre passe-bas" réalisé par un miroir dichroïque (HR 985 nm – HT 1040 nm)

θ , λPertes

mais, T1003

0,75

0,5

16

Comment discriminer Comment discriminer λλpompepompe et et λλlaserlaser ? ?

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

Schéma de pompage hors d'axe – angle minimisé

≈3,5 mm


+

Recyclage

≈ 3,5 mm

Yb:cristal

17

Schéma de pompageSchéma de pompage


Diode de

pompe

Jacquemet et al., Applied Physics B, 78 (2004)

Vue de côtéZ

Y

L1

λ/2

C.S.P.

S. P.

L2Miroir

d’entrée coupé

Yb:cristal

Système de

Prismes

Cube Séparateur de Polarisation

17

WP ≈ 50-70 µm

Vue de côté Z

Y

18


Performances @ 1003,4 Performances @ 1003,4 nm avec Yb:YSOnm avec Yb:YSO

En pompage diode Yb:cristal :

λL aussi basse pour la première fois !

Très faible défaut quantique ≈ 2,5 %

Effet laser efficace à Tambiante

LCav≈1,4 m – ISL = 210 MHz

Pmax = 400 mW pour PP = 3,3 W

T1003 ≈ 5%

1,5 GHzRotateur

de Faraday

Rotateur de

Faraday

θ ≈ 16°, T1003 ≈ 5%

Cavité en anneau : émission

monomode longitudinale

19


Cavité pour le doublement de Cavité pour le doublement de fréquencefréquence

θ ≈ 8°, T1003 ≈ 0,5%

Pintra ≈ 15-20 W

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)

Cristal non

linéaire

Minimiser les pertes à 1003 nm

501,7 nm

WKNbO3 ≈ 90 µm

Rotateur de Faraday

20


Yb:YSO à 501,7 nmYb:YSO à 501,7 nm

60 mW @ 501,7 nm - PP ≈ 3,2W - ηOpt-Opt = 1,5 %

Jacquemet et al., Optics Express, 13 (2005)

0

10

20

30

40

50

60

70

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

Puissance de pompe incidente à 978 nm (W)

Pu

issan

ce laser

à 5

01 n

m

(mW

)

En régime monomode spectral

Sans asservissement : Δυ < 3 MHz

Courbe de transmission de l’analyseur FP

FSR ≈ 1.5 GHz

temps (ms)- 1 graduation = FSR/1000 (1.5 MHz)

15 MHz

FSR ≈ 1.5 GHz


15 MHz


15 MHz

3 MHz

ISL ≈ 1,5 GHz

21


Et sur le marbre …Et sur le marbre …

22

Et le Yb:KYW !?Et le Yb:KYW !?


YSO (900 nm)


KYW (981 nm)


YAG (940 nm)


KGW (935 nm)

KGW (981 nm)

-1,0

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

0 5 10 15 20YSO (900 nm)


KYW (981 nm)


YAG (940 nm)


KGW (935 nm)

KGW (981 nm)

-1,0

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

0 5 10 15 20

Gain

lin

éiq

ue p

eti

t sig

nal (c

m-1)

pou

r P p

om

pe

=1W

su

r u

n r

ayon

de 5

0 µ

mGain

lin

éiq

ue p

eti

t sig

nal (c

m-1)

pou

r P p

om

pe

=1W

su

r u

n r

ayon

de 5

0 µ

m

(kW.cm-2)IPtransp.

Directions favorables

0

Gain important @ 1025 nm :insérer des pertes plus

importantes θKYW > θYSO Yb:KYW : Un cristal commercial

23


Yb:KYW à 501,7 nmYb:KYW à 501,7 nm

Yb:KYW :

> 35 mW @ 501,7 nm


0

10

20

30

40

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

Pu

issan

ce laser

à 5

01

,7 n

m

(mW

)

En régime monomode spectral

Effet laser à 1003 nm uniquement pour θ ≈ 16°

(T1003 ≈ 5%)

Objectif atteint avec un cristal

commercial

24


Comparaison des solutions Comparaison des solutions YbYb

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

Banc de pompage hors d'axe à 980 nm/résonateur "complexes"

Une autre solution plus simple ?!

Objectifs atteints

25

Rappel du PlanRappel du Plan




– Principes généraux

– Limitation thermique

– Résultats expérimentaux



Isabelle SagnesLPN, MarcoussisArnaud GarnacheCEM2, Montpellier

26

Principe de fonctionnementPrincipe de fonctionnement


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

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 quantiquesLes puits quantiques

Barrières : absorption photons pompe Migration des porteurs dans les puits Recombinaison : émission à λLaser


28

Avantages des OPSLAvantages 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

TEM00

Bande de gain large + cavité externe :– choix de λLaser par éléments intracavité

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

29

Performances laser d'une Performances laser d'une structure classique sur GaAsstructure 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

0

20

40

60

80

100

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


Pu

issan

ce L

aser

(mW

)

1001 nm

1007 nm

GaAS

Pourquoi une émission laser si peu efficace ?

Les effets thermiquesLes effets thermiques


30

Principale limitation : la Principale limitation : la thermiquethermique

Substrat (300 µm)

Création de chaleur dans la zone active (défaut quantique, désexcitations non radiatives)

Evacuation thermique

Pompage optique

Pour RTh, KC

et WP

e

principalement limitée par la résistance thermique du

substrat

RTh ~ e/(KC.WP)

(GaAs : KC ≈ 45 W.m-1.K-1)

2.WP

Zone active ≈ 5 µm

Rad

iate

ur

Cu

+ P

elt

ier


31

Technique du reportTechnique 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


Pression, Températu

re

Polissage,Attaque chimique

Couche d’arrêt

Bragg + QW

Au

Support

Substrat

GaAs

Ti

1

Émission

4

QW + Bragg

Ti SiC

In

Au

Au

2

Substrat

GaAs

3

AuIn2

SiC

Substrat

GaAs

AuIn2

SiC

270 µm

≈ 1 µm

≈ 5 µm

32

Améliorations apportées par le Améliorations apportées par le reportreport

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.


33

Résultats monomode à Résultats monomode à 1003 nm1003 nm

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)

étalon FP 50 µm

1,5 GHz

L'insertion de pertes diminue

Pintra

Emission monofréquence en cavité linéaire.

Pmax ≈ 500 mW


34

Schéma expérimental à 502 Schéma expérimental à 502 nmnm

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

Rad

iate

ur

SiC

R=200 mmHR 1 µm

KNbO3 et four

WKNbO3≈ 90 µm

R=200 mmHR 1 µm

HT 500 nm

étalon FP 100 µm

Filtre de Lyot

Diode laser de pompe fibrée @ 808

nm

R=75 mmHR 1 µm

HT 500 nm

35

Résultats à 502 nmRésultats à 502 nm

0

5

10

15

20

25

30

35

0 1 2 3 4 5 6 7Puissance de pompe (W)

Puissa

nce d

e b

leu

(mW

)

Sortie 1

Sortie 2Pu

issa

nce L

ase

r vi

sible

(m

W)

0

5

10

15

20

25

30

35

0 1 2 3 4 5 6 7Puissance de pompe (W)

Puissa

nce d

e b

leu

(mW

)

Sortie 1

Sortie 2Pu

issa

nce L

ase

r vi

sible

(m

W)

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


36

Mais … limitationsMais … 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)


37

Rappel du planRappel du plan






38

Comparaison "physique"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

39

Comparaison Comparaison "technologique""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)

40

ConclusionConclusion


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

41

PerspectivesPerspectives


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

42

MERCIMERCI

1 sources laser solides, pompées par diode, émettant autour de 1000 et 500 nm, à base de cristaux...

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