1 soutenance de thèse “ lasers femtoseconde yb 3+ : boys et yb 3+ : sys ” pierre raybaut

1

Soutenance de thèseSoutenance de thèse

“ “ Lasers femtosecondeLasers femtosecondeYbYb3+3+: BOYS et Yb: BOYS et Yb3+3+: SYS ”: SYS ”

Pierre RaybautPierre Raybaut

2

Introduction

Sujet de thèse :– Étudier de nouveaux cristauxnouveaux cristaux dotés de larges spectres d’émissionlarges spectres d’émission :

Yb3+: SYS, Yb3+: BOYS– Réaliser une chaîne laser femtoseconde amplifiée utilisant ces matériaux.

Lasers femtoseconde ytterbium

• Produisant des impulsions brèves

• Utilisant des matériaux dopés à l’ytterbium

• Lasers solides

• Lasers pompés par diodes

• Source optique cohérente(éventuellementamplifiée)

Efficacité, compacité, fiabilité, faible coût, simplicité

Contexte scientifique :

3

Lasers femtoseconde

• Des applications dans de nombreux domaines

Chirurgie oculaire

Source : emedecine.com

MédecineMédecineIndustrieIndustrie

Micro-usinage

Source : Thalès Laser

RechercheRecherche

Source : ELSA

Microscopie

4

Usinage athermique

• Un exemple concret :

« la découpe de bois »« la découpe de bois »

Laser nanoseconde Laser femtoseconde

Vidéos extraites du CD ROM :« Le laser femtoseconde,un rayon pour le futur »

Réalisation Mario PONTA

5

Lasers femtoseconde ytterbium

• Des applications dans de nombreux domaines

Chirurgie oculaire

Source : emedecine.com

MédecineMédecineIndustrieIndustrie

Micro-usinage

Source : Thalès Laser

RechercheRecherche

Source : ELSA

Microscopie

But de cette thèse :Développer une nouvelle alternative :les lasers femtoseconde Yb3+: SYS (ou Yb3+: BOYS)

• Marché actuellement dominé par :

– les lasers Ti:Sa (i.e. saphir dopé au titane)

• sources laser performantes

• pompage direct par diodes laser impossible :dispositifs complexes et peu efficaces

– les lasers Yb3+: KGW (assez récemment)

6

Mai

nte

nan

t

Plan

1. Nouveaux cristaux dopés à l’Yb3+

Yb3+: SYS

2. Laser femtoseconde Yb3+: SYS Résultats expérimentaux

3. Atténuation et simulation du rétrécissement spectral par le gain

4. Conclusionet perspectives+court

puissant

7

Spectroscopie de l’ion ytterbium

• Propriétés communes à tous les matériaux dopés à l’Yb3+ :

2F5/2

2F7/2

1080 nm1050 nm

980 nm

– structure simple :

• pas de transferts d’énergie non radiatifs ;

• pas d’absorption par l’état excité.

– pompage à 980 nm :

• pic d’absorption très intense ;

• diodes laser de puissance ;

• faible défaut quantique : 8 % à 1,06 µm ;

• laser quasi-trois niveaux :

N/N < 50%. : taux d’inversion de populationN : inversion de populationN : population totale

Niveaux d’énergie de l’ion ytterbium

8

• Cristaux récemment découverts :

YbYb3+3+: SYS: SYS, Yb, Yb3+3+: BOYS, Yb: BOYS, Yb3+3+: GdCOB, …: GdCOB, …

• Collaboration :

• Spécificités de ces nouveaux matériaux dopés à l’ytterbium :

– bande d’émission très large ;

– propriétés thermiques satisfaisantes.

Nouveaux cristaux dopés à l’ytterbium

Laboratoire de Chimie Laboratoire de Chimie Appliquée de l’État SolideAppliquée de l’État Solide

Équipe Lasers Solides Équipe Lasers Solides et Applicationset Applications

Recherche et fabrication de nouveaux cristaux

Développement de nouvelles sources laser

Impulsions brèvesImpulsions brèves

Impulsions énergétiquesImpulsions énergétiques

9

2F5/2

2F7/2

Spectroscopie de l’Yb3+: SYS

• Élargissement des raies de l’ytterbium :Spectre d’absorption

00,20,40,60,8

11,21,4

850 900 950 1000 1050

Longueur d’onde (nm)

Se

ctio

n e

ffic

ace

(p

m²)

Spectre d’émission


Se

ctio

n e

ffic

ace

(p

m²)

0

0,20,4

0,60,8

1

1,21,4

900 950 1000 1050 1100 1150

• Interaction électron-phonon

• Désordre structurel

10

Cristallogenèse de l’Yb3+: SYS• Formule chimique de l’Yb3+: SYS :

Yb3+: SrY4(SiO4)3O

• De la classe des silicates :– fusion congruente à 1900°C ;

– bonnes propriétés thermomécaniques.

• Croissance cristalline par la méthodede Czochralski.

• De forts taux de dopage sont réalisables :jusqu’à 100%.

• Multiples sites d’accueil pour l’Yb3+ :désordre structurel important.

11

Cristallographie de l’Yb3+: SYS

Yb3+: SrY4(SiO4)3O

• Structure cristallographique de la matrice de SYS :

Sites 6h (Y)

SiO4

Sites 4f (Sr ou Y)

Légende

Axe

c

Axe c

• Désordre structurel dans l’Yb3+: SYS : multiples sites d’accueil pour l’Yb3+

– sites 4f occupés à moitié par le strontium et l’yttrium ;

– l’ytterbium se substitue préférentiellement avec l’yttrium ;

– si l’ytterbium se substitue avec le strontium : défaut de charge.

Spectre de gaintrès large

Désordreimportant

12

Spectre d’absorption de l’Yb3+: SYS

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

850 900 950 1000 1050


Sec

tion

effic

ace

(pm

²)


• Section efficace d’absorption :

2F5/2

2F7/2

980 nm

980 nm

940 nm 940 nm

910 nm

910 nm

a

13


• Section efficace d’émission :

2F5/2

2F7/2

1080 nm

108

0 n

m

1050 nm 105

0 n

m

Spectre d’émission de l’Yb3+: SYS


Sec

tion

effic

ace

(pm

²)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

900 950 1000 1050 1100 1150

980 nm

e

14

= 75 nm


• Section efficace de gain :

2F5/2

2F7/2

1080 nm1050 nm

980 nm

aaeg

croissant

=50%

NNTaux d’inversion (de population) : augmente avec l’intensité laser de pompe

0% < < 50%

15

Choix n°1 :– à spectre très large ;– à faible gain.

Choix n°2 :– à spectre

moyennement large ;– à fort gain.

Nouveaux cristaux dopés à l’ytterbium

• Comparaison avec d’autres matériaux dopés à l’ytterbium :

Matériau

(nm)

e

(pm²)

K(W/m/K) *

Yb3+: SYS 75 0,3 ≈ 2,2

Yb3+: BOYS 75 0,2 1,5

Yb3+: Verre 35 0,05 0,85

Yb3+: KGW 25 2,8 3,8

Yb3+: YAG 9 2,2 11

* Matériau non dopé.

Grandeur Indication

Largeur spectrale

1

Durée

eSection efficace

d’émissionGain

KConductivité thermique

Propriétés thermiquesStratégie adoptée

pour cette thèse

16

Récapitulatif

• Avantages :

– fortes sections efficaces d’émission ;(parmi les nouveaux cristaux dopés à l’ytterbium)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

950 1000 1050 1100

Verre

SYS

GdCOB

BOYS


Sec

tion

effic

ace

d’ém

issi

on (

pm²)

17

Yb

3+: SY

SRécapitulatif

• Avantages :

– fortes sections efficaces d’émission ;(parmi les nouveaux cristaux dopés à l’ytterbium)

– spectre de gain très large ;

– bonnes propriétés thermiques.

• Inconvénients :

– faible gain ;(par rapport aux autres matériaux dopés à l’ytterbium)

– domaine d’étude nouveau.

18

Mai

nte

nan

t

Plan


Yb3+: SYS, Yb3+: BOYS …




puissant

19

Milieu amplificateur

Absorbant saturable

Impulsion laser

MiroirCoupleur de sortie

Dispersion négative

Éléments de base d’un laser femtoseconde

Oscillateurfemtoseconde

Amplificateurmultipassage

= Matériau laser à large spectre d’émission

20

Oscillateur femtoseconde Yb3+: SYS

• Montage expérimental :

Yb3+: SYS(long de 3 mm)

Miroirs dichroïques

Prismes (SF10)

Coupleur de sortie(2%)

Fente

SESAM(absorbant saturableà semi-conducteur)fourni par Thalès RTx6

Banc de pompe

Diode laser 4W

(1µm x 100µm)

≈976nm

0=1070nm

21


Impulsions les plus courtes

t ≈ 94 fs ≈ 14 nm

t ≈ 0,35

Psortie(2%) ≈ 110 mW @ 108MHz

PerformancesLongueur d’onde centrale :

1070 nm

Notations

t Durée d’impulsion Largeur spectralePsortie Puissance moyenne de sortie

Autocorrélation Spectre

22


Impulsions les plus énergétiques

t ≈ 110 fs ≈ 12 nm

t ≈ 0,33

Psortie(6%) ≈ 420 mW @ 98MHz

Performances


Longueur d’onde centrale :

1066 nm

Notations

t Durée d’impulsion Largeur spectralePsortie Puissance moyenne de sortie

Rendement optique-optique de 10 % !

1,55 x 110 fs 12 nm

23


Comparaison des résultats

MatériauDurée

expérimentale record

Longueur d’onde centrale

Principe de l’absorbant saturable

Yb3+: Verre 58 fs 1020 nm SESAM

Yb3+: BOYS 69 fs 1062 nm SESAM

Yb3+: KYW 71 fs 1025 nm KLM *

Yb3+: SYS 94 fs 1070 nm SESAM

Yb3+: KGW 112 fs 1045 nm SESAM

Yb3+: YAG 340 fs 1031 nm SESAM

* « Kerr Lens Mode-locking » : verrouillage de modes par lentille de Kerr

24

Éléments de base d’un laser femtoseconde


Amplificateurmultipassage

= Matériau laser à large spectre d’émission


Impulsion laser

N passages

25

Amplificateur multipassage

• Amplificateur régénératif :

– N grand (de 50 à 200 typiquement)

– Gain par passage : petit

– Gain global de l’ordre de 105 à 107.


Polariseur

Miroir

Cellule de Pockels

Pompe

26

Amplification à dérive de fréquence

Oscillateur femtoseconde

Yb3+: SYS

1 nJÉnergie par impulsion

Enveloppe de l’impulsion

120 fsDurée de l’impulsion

Compresseur

> 120 fs

~ 0,1 mJ

Amplificateurrégénératif Yb3+: SYS

~ 0,1 mJ

Puissance crête de 8 kW

Focalisé sur Ø 300 µm :I1 ~ 10 MW/cm²

Étireur

0,5 nJ

360 ps

Étirement d’un facteurallant de 2000 à 4000

Puissance crête de 0,8 GW

120 fs

Focalisé surØ 300 µm :

I2 ~ 1 TW/cm²

Seuils de dommage (verres, silice,…) :~ 10 GW/cm² = 1000 I1 = I2/100

27

Amplification à dérive de fréquence


Yb3+: SYSCompresseur


Étireur

Compresseur classique à deux réseaux

Étireurde type Öffner

Réalisé en collaboration

avec le .

28

Amplificateur régénératif Yb3+: SYS

Seuil de dommage

Gain faiblede l’Yb3+: SYS

Petites sections de faisceau

Endommagements du cristal d’Yb3+:SYS

Fluence intracavité importante

• S trop petite : endommagements

• S trop grande : pas assez de gain

Nécessité de trouver un compromis

SJ

E

sat

stockée

eG 0Gain petit signal :

Énergie stockée dans le cristal

Section du faisceau laser dans le cristal

Fluence de saturation du cristal

29

Yb:SYS(long de 5 mm)

Banc de pompe

Miroir dichroïque

Diode laser (4W)

/4Polariseur

Éjection

Injection

Cellule de Pockels


Montage expérimental

Ø = 270 µm

Ø = 850 µm

Temps d’aller-retourdans la cavité : ~ 9,1 ns

Cadence :de 200 Hz à 1 kHz

30

Photodioderapide

Amplificateur régénératif Yb3+: SYSPhases de stockage et d’extraction

d’énergie• Fonctionnement de l’amplificateur :

31



Photodioderapide

0 1000 2000 3000 4000 5000Temps (u.a.)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

étisnetnIétivacartni

(u.a

.)

Phase de stockage d’énergie

Phase d’extraction

d’énergie

Vue schématique

Pertes intracavité

Intensité intracavité

Temps de création

32



Photodioderapide

500 1000 1500 2000Temps (ns)

0

0.5

1

1.5

2

ecnassiuP

(u.a

.)

Temps de création de 1,6 µs

500 1000 1500 2000Temps (ns)

0

0.5

1

1.5

2

ecnassiuP

(u.a

.)

Résultats expérimentaux

Temps de création

de 900 ns

800 820 840 860 880 900Temps (ns)

0

0.5

1

1.5

2

ecnassiuP

(u.a

.)

Agrandissement

9,1 ns

InjectionSans injection

33



Énergie par impulsion 70 µJ

Largeur spectrale amplifiée 3,4 nm

Durée des impulsions 380 fs

0,34

Stabilité RMS < 3%

• Performances à 1 kHz après compression :

(Entrée : ≈ 1 nJ)

(Entrée : 10 nm)

(Entrée : 120 fs)


1,55 x 380 fs3,4 nm

10 nm

34


Étude en cadence

• Énergie en fonction de la cadence :

35


Comparaison des résultats

MatériauDurée

expérimentale record

Énergie CadencePuissance totale de pompe

Efficacité optique-optique*

Yb3+: Verre 200 fs 1 mJ 150 Hz 80 Wà 980 nm

0,19 %

Yb3+: SYS 380 fs 70 µJ 1 kHz 4 Wà 980 nm

1,75 %

Yb3+: KYW 400 fs 40 µJ 1 kHz 3,2 Wà 940 nm

1,25 %

Yb3+: KGW 420 fs 120 µJ 1 kHz 15 Wà 980 nm

0,80 %

Yb3+: KYW 460 fs 65 µJ 1 kHz 20 Wà 980 nm

0,32 %

* Rapport entre puissance moyenne de sortie et puissance totale de pompe.

36

Mai

nte

nan

t

Plan






puissant

37

Mai

nte

nan

tDernière partie de la soutenance


• Tendances

• Travail sur le spectre des impulsions

• Quel est le lien entre spectreet enveloppe temporelle ?

38

Lien entre et t

– Définition de :

– Mesure de :


Yb3+: SYSCompresseur


Étireur

tentrée tsortie>tTF

tTF

Transformée de Fourier

~ 1,23

=tsortie

tTF

39

Qu’est ce que le RSG ?

Longueur d’onde

Pui

ssan

ce

Longueur d’onde

Pui

ssan

ce

Longueur d’onde

Pui

ssan

ce

Spectreinjecté

Amplificateurrégénératif

(spectre de gain)

Spectreamplifié

Rétrécissement Spectral par le Gain (RSG)

40

Simulation réaliste du RSG

• Mieux comprendre

• Pour mieux prévoir

– Prévoir la largeur spectrale en fin de chaîne ;

– Identifier les paramètres clef.

Simulation numérique du RSG :modèle de type Frantz-Nodvik

adapté au lasers quasi-trois niveaux

et généralisé au cas non monochromatique

41

Simulation réaliste du RSG

42Dazzler®

Saturation du gain

Atténuation du RSG

• Comment atténuer le RSG ?

– Diminuer le nombre d’allers-retours N.

– Augmenter la largeur du spectre de gain :

• en changeant de matériau laser,

• en augmentant le taux d’inversionde population moyen.

– « Trouer » le spectre :

• du gain du matériau laser,

• du spectre des impulsions avant amplification.

43

Atténuation du RSG

Saturation du gain• Saturation du gain : augmentation du taux d’inversion

= 75 nm croissant

=50%

= 10%, 20%, 30%, 40% et 50%

44

Atténuation du RSG

Saturation du gain• Saturation du gain : augmentation du taux d’inversion

croissant

=10%

= 6%, 7%, 8%, 9% et 10%

= 53 nmCristal long de 1,5 mm

Cristal long de 5 mm

= 44 nm

45

Atténuation du RSG

Saturation du gain• Résultats expérimentaux :

Échantillon d’Yb3+: SYS long de 5 mm

Échantillon d’Yb3+: SYS long de 1,5 mm

Largeur spectrale amplifiée 3,4 nm 4,1 nm

Saturation du gain

+ 20% de largeur spectrale

Énergie par impulsion ~ 10 µJ4,1 nm 3,4 nm

46Dazzler®

Saturation du gain

Atténuation du RSG

• Comment atténuer le RSG ?

– Diminuer le nombre d’allers-retours N.

– Augmenter la largeur du spectre de gain :

• en changeant de matériau laser,

• en augmentant le taux d’inversionde population moyen.

– « Trouer » le spectre :

• du gain du matériau laser,

• du spectre des impulsions avant amplification.

47

Atténuation du RSG

Simulation du trou spectral• Simulation de l’influence de la profondeur du trou spectral :

48

Atténuation du RSG

Utilisation d’un Dazzler®• Photographie :

• Mise en œuvre expérimentale simple et rapide.

• Intégration dans la chaîne complète :Oscillateur

femtoseconde Yb3+: SYS

ÉtireurAmplificateurrégénératif Yb3+: SYS

CompresseurDazzler®

© Fastlite

• Filtre acousto-optique

programmable

• Interaction acousto-

optique colinéaire dans

un matériau massif.

49

Atténuation du RSG

Utilisation d’un Dazzler®• Filtre acousto-optique programmable via un signal électrique temporel

radiofréquence.

• Agit aussi bien sur l’amplitude que sur la phase spectrale des impulsions.

• Principe de fonctionnement :

Axe ordinaire (rapide)

Impulsion brèveAxe extraordinaire (le

nt)

Impulsion étirée et modelée

Onde acoustiquez

Cristal de TeO2

50

Spectres mesurésSpectres mesurés

Enveloppes temporelles calculées

Enveloppes temporelles calculées

Atténuation du RSG

Utilisation d’un Dazzler®

Profondeur du trou

croissante

Durée décroissante

51

Atténuation du RSG


trou (nm) trou (nm) Htrou sortie (nm) tTF (fs) tTF (fs)

- - 0 4,0 320 390

1065,0 5,3 1,00 - 210 260

1064,8 5,3 0,88 6,4 220 270

1064,3 8,3 0,94 5,7 240 290

Longueur d’onde centrale

Largeur à mi-hauteur Profondeur

Paramètres du trou spectral

Largeur à mi-hauteur Durée par TF

Durée corrigée


Résultats déduits par calcul

• Exemples de résultats obtenus :

1

2

3

4

52

Atténuation du RSG


1

Entrée

Sortie expérimentale

Sortie simulée

Outil fiablede prévision

Simulationnumérique

2

3 4

53

Mai

nte

nan

t

Plan






puissant

54

Conclusion• Oscillateur femtoseconde Yb3+: SYS :

– Impulsions très courtes (pour un oscillateur femtoseconde ytterbium)

– Grande efficacité optique-optique (10%)

• Amplificateur régénératif Yb3+: SYS :

– Impulsions très courtes (pour un amplificateur pompé par diodes)

– Grande efficacité optique-optique (1,75%)

• Manipulations spectrales avec le Dazzler® : t < 300 fs

t E f 0

94 fs 1 nJ 108 MHz 1070 nm

110 fs 4 nJ 98 MHz 1066 nm

t E f 0

380 fs 70 µJ 1 kHz 1066 nm

55

Perspectives

• Améliorations possibles de l’oscillateur :

– optimisation du cristal : longueur, dopage, …

– optimisation du SESAM

– augmentation de l’intensité de pompe

• Améliorations possibles de l’amplificateur :

– augmentation de la puissance de pompe

– minimisation des pertes

– optimisation du cristal : longueur, traitement de surface,…

– compensation du RSG avec le Dazzler®.


Yb3+:SYS

AmplificateurrégénératifYb3+:SYS

56

Perspectives

• Améliorations possibles de l’oscillateur :

– optimisation du cristal : longueur, dopage, …

– optimisation du SESAM

– augmentation de l’intensité de pompe

• Améliorations possibles de l’amplificateur :

– augmentation de la puissance de pompe

– minimisation des pertes

– optimisation du cristal : longueur, traitement de surface,…

– compensation du RSG avec le Dazzler®.


Yb3+:SYS

AmplificateurrégénératifYb3+:SYS

57

Ecrit et Realise par

Pierre RaybautPierre Raybaut

58

Produit parThales LaserThales Laser

CNRSCNRS

59

Dirige par

Alain BrunAlain Brun

60

Producteurs executifsFrederic DruonFrederic DruonPatrick GeorgesPatrick Georges

Francois BalemboisFrancois Balembois

61

Musique deeScape projecteScape project

62

Avec, par ordre alphabetique :

Laboratoire d’optique appliquée

Frédérika AugéJean-Paul Chambaret

Thales Research and Technologies

Jean-Pierre HuignardChristian Larat

Thales Laser

Franck FalcozEric Lalier

Laboratoire pour l’utilisation des lasers intenses

Catherine Le Blanc

Fastlite

Daniel KaplanPierre Tournois

~

Equipe Lasers Solides et Applications

François BalemboisAlain Brun

Frédéric DruonPatrick GeorgesThierry Lépine

Gaelle Lucas-LeclinGérard Roger

Aude Bouchier Sébastien Chénais

Claude DouléSébastien Forget

Elvire GuiotMathieu Jacquemet

Renaud LebrunYann Louyer

Sébastien PelletierStéphane Victori

Sylvie Yiou

Institut d’Optique

Thierry AvignonLionel Jacubowiez

Marie-Thérèse PlantegenestJacky RObin

1 soutenance de thèse “ lasers femtoseconde yb 3+ : boys et yb 3+ : sys ” pierre raybaut

Documents