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

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 :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+.

absorptionémission

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

nm 915 nm 976 nmvraie trois niveaux 97

fort gain vers 976 nm,réabsorption vers 976 nm :

pompage intense

Des matériaux dopés par des ions Yb3+

Les transitions disponibles :

Introduction

Yb915 nm 1030 nm976 nm 1080 nmquasi-trois niveaux 97

silice dopée Yb

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

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

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

multiplet fondamental 2F7/2

1/ << 1 ns

pompep

signals

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

960 980 1000 1020 1040 106010-6

976 nm

1030 nm(négligeable)

Longueur d'onde (nm)

960 980 1000 1020 1040 1060

La modélisation utilisée

= σpemN1−σp

absN0⎛ ⎝ ⎜ ⎞

⎠ ⎟ Γp Pp

=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

pompesignalASE

: facteur derecouvrementus = ± 1u+

ASE = +1u-

ASE= -1

forte absorption à 976 nm

signal

longueur L

faisceau gaussien cylindrique

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.

signalsignal

amplifié

ASEcontra

silice

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.

cm-1) Cristaux

fort gain linéique,divergence de la source

de pompage.

Fibres : silicefaible gain linéique,confinement de la pompe.

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,

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

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

faisceaude pompe faisceau

de cavité

980 981 982 983Longueur d'onde (nm)

0,14 nm

.)Emission dans un cristal de Yb:KYW

Emission laser à 981 nm

530 mW

= 30 %

Puissance de pompe incidente (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 %

laserTi:Sa

= 20 %

320 mW

simulation : réflexion sur coupleurdu laser Ti:Sa.

1,2 nm

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)

0 1 20

[Bouchier et al., ASSP 2005]

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

Yb:KYW

985 nm

1047 nm

850 950 1050 11500

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 :

silice

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+

Fibres : silicefaible gain linéique,confinement de la pompe.

Emission dans une fibre monomode dopée par des ions Yb3+

Régime continu et doublement de fréquence,

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

Pcrête

élevéeP2

moy > P2

Quel type de fibre dopée choisir ?

Puissance à 915 nm pour atteindre la transparence autour de 976 nm :

= pompe

monomode

pompe / ON

Ptrans

5 µm5 µm / 0,13

0,777 mW

faible puissance de transparence,

disponible commercialement,source de pompage limitée

par la diffraction.

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

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+

fibre dopée

diode laserà 976 nm

source TEM00

à 915 nm

cristal non linéairet

fibre dopée

source TEM00

à 915 nm

fibre dopée

miroir d'entrée

coupleur de sortie

source TEM00

à 915 nm

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

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)

Ppompe :

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

Le laser en image...

fibre d'injection

coupleur desortie

fibre monomodedopée Yb3+

laser Nd:YVO4

réseau dediffraction

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

Quelle longueur de fibre utiliser ?

Modèle analytique :

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

puissance de pompe de 3 W.

0 1 2 3Puissance de pompe incidente

(W)Puissance incidente à 914 nm (W)

) = 72 %L = 40 cm

= 71 %

Longueur de la fibre (m)

Nd:YVO4

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)

Etude expérimentaleFibre dopée monomode : laser spectralement affiné

Puissance incidente à 914 nm (W)

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

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

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

1,E-06

1,E-05

1,E-04

1,E-03

1,E-02

1,E-01

1,E+00

970 1020 1070

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

Longueur d'onde (nm)P

6,6 nm0

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

978,1 978,25 978,40

0,8 0,02 nm

spectre accordabilité

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.

2 deff2 L2

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

SiO2MgO:LN 5 µm

(prêt de J.M.Maillard (JDS Uniphase))

Dispositif expérimental

Sourceà 976 nm

/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

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)

limitation à forte puissanceinfrarouge incidente

gradient de Tchangement du pas

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

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+

fibre dopée

source TEM00

à 915 nm

fibre dopée

miroir d'entrée

coupleur de sortie

source TEM00

à 915 nm

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

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

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

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

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)

40 cm1.102

Simulation de la conversion

Optimisation de Pmoy à 976 nm avant amplification :

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)

Gain (dB

1,0E-06

1,0E-05

1,0E-04

1,0E-03

1,0E-02

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

7 mW Pωcrête(L)

10-3 10-2 10-1 1

Puissance moyenne à 976 nm avantamplification (W)

Efficacité de

conversion interne (%)

1,0E-06

1,0E-05

1,0E-04

1,0E-03

1,0E-02

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

0,2 mW

efficaciténormalisée

transmissioncouplage

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

niveaud'ASE ou laser

amplificationdu signal

0 1 2 3 4Temps (µs)

ASE et fond continu amplifié

amplification de l'impulsion

fond continuamplifié

Ecart entre impulsions ~ 3 µs

ceTemps (µs)

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

saturation du gain

durée : 200 ns

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

entrée

sortie

Temps (µs)

0 20 40 60Temps (ns)

sortie

entrée

durée : 10 ns

Temps (ns)

durée < 100 ns

Durée et cadence des impulsionsAmplification à 976 nm

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

(couplage 57 %)

= 488 nmP

f de 1 à 13 MHz,t de 10 à 100 ns.

générateurd'impulsions

té de polarisation

courantcontinu

Mesure du gain

puissances crêtes> 10 W

cadence :de 1 à 13 MHz,

durée :de 10 à 100 ns.

signalamplifiéeffet laser

signal incident :0,1 mW

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

Puissance moyenne incidente (mW)

signal incident :1,1 mW

0 1 2 3 4 5 6

Puissance moyenne incidente (mW)

0 1 2 3 4 5 6

977 977,5 978 978,5 979

LCE en régimeimpulsionnel=0,3nm

LCE en régimecontinu

<0,07nm

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

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

tie à

Puissances hors du guide :

Emission dans une fibre monomode dopée par des ions Yb3+

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.

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).

Merci de votre attention !

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