cristaux dopés praséodyme pour émission laser dans …cmdo.cnrs.fr/img/pdf/camy_jnco_2007.pdf ·...

Cristaux dopCristaux dopéés Prass Prasééodyme pour odyme pour éémission laser dans le domaine visiblemission laser dans le domaine visible

CIRIL-MIL, Caen : Patrice Camy, J.L. Doualan, S. Cheffah, M. Velazquez,A. Benayad, R. Moncorgé.

ENSCP-LCMCP, Paris : P. Goldner, O.Guillot-Noël, G. Dantelle, M. Mortier

LAC, Orsay : T.H. My , F. Bretenaker

PHILIPS Technologie, Aachen, Allemagne : J. Bengoechea, U. Weichman

JNCO, GRENOBLE, Juillet 2007

Plan de lPlan de l’’exposexposéé

1. Contexte et motivations- Sources laser stabilisées pour l’information

quantique- Sources RVB pour la vidéo-projection

2. Différents Ions et schémas d’excitation envisagés- Avalanche- Pompage direct

3. Résultats- Spectroscopie- Fonctionnement laser

4. Conclusions et perspectives


Spectroscopie Spectroscopie àà haute rhaute réésolution poursolution pourll’’information quantiqueinformation quantique

Système à deux niveaux

- Un niveau 1 bit 0 ou 1- Superposition d’états : pas d’équivalent

en physique classique- Système à deux niveaux = Quantum Bit ou QuBit


Prérequis :

- Transitions avec de longs temps de cohérencefaible largeurs homogènes

- Sources de très hautes cohérence

Résultats récents

Calcul quantique mémoire quantique- Two-qubit logical gate - Line Stopped for more than one secondJ.J. Longdell et al. PRL (2004) J.J. Longdell et al. PRL (2005)

- Single qubit arbitrary state preparationL. Rippe et al to be published (2007)


Ces résultats ont été obtenus avec Y2SiO5:Pr3+

Caractéristiques de YSO:Pr

- Absorption à 605,977 nm- Largeur inhomogène 5GHz- Faible largeur homogène (2kHz)

Sources laser disponibles

-Lasers à colorant- Commercialisés (1MHz-100 kHz)- Ultra stables (<1kHz)

Systèmes à colorants Ultra Stables…mais complexes

(Lund University, Quantum information Group, Pr. S. Kröll, L. Rippe)

• Lasers solides compacts plus aisés à stabiliser

• Microchips ou fibres courte dopés Terre Rare :

stabilité < 1 kHz

Source centrée autour de 606 nm à partir d’un cristal dopé terre rare ?





2. Différents Ions et schémas d’excitation envisagés- Avalanche- Pompage direct




VIDEOPROJECTIONVIDEOPROJECTION

Sur de très grandes dimensions…

…ou en miniature

SONY: 50m x 10m Laser DreamTheater à l’expo2005, Aichi, Japan


Approx. 200 mW/couleur

Rouge : 615 - 645 nmVert : 520 - 550 nmBleu : 435 – 465 nm

Lasers Rouge Vert et Bleu requis

Vidéoprojecteur intégrédans un téléphone mobile


G. Derra et al 2005J. Phys. D: Appl. Phys. 38

Lampe UHP

Pas de diodes laser fiables dans le vert !

Les lasers solides dopés terres rares sont de bons candidats





2. Différents ions et schémas d’excitation envisagés- Avalanche (Yb3+:Pr3+)- Pompage direct (Yb3+)




Transitions de lTransitions de l’’ion Prasion Prasééodyme dans le domaine visibleodyme dans le domaine visible

Energies de phonons relativement basses

nécessairesFluorures

3P0

3P23P1,1I6

1D2

1G4

3F4 3F3

3F2 3H6

3H5

3H4


• Transitions dans le visible depuis les niveaux 3P1-3P0

• Rouge ( 3F2)

• Orange ( 3H6)

• Vert ( 3H5)

• Bleu ( 3H4)

UpconversionDiode 850 nm

Pompage directDiode bleue


Avalanche de photon dans les matAvalanche de photon dans les matéériaux dopriaux dopéés Prs Pr3+3+

J.S. Chivian, W.E. Case, D.D. Eden, Apl. Phys. Lett. 35, 1979

• Pompage sur la transition 2-3(non résonnant avec 1-2)

• Transferts d’énergie

• Emission 3-1


Osiac et al Opt. Lett. 2004 Avalanche dans Yb:Pr:BaY2F8

27 % de rendement à 607 nm

Pompage par Pompage par upconversionupconversion dans Ybdans Yb3+3+:Pr:Pr3+3+

• Processus non linéaire • Seuil relativement élevé• Equivalent à un 4 niveaux une fois amorcé

Ph. Goldner et al EPJ-AP, 2007JNCO, GRENOBLE, Juillet 2007

- (faible) Absorption 4 5

- Transfert 5-4 1-2

- Absorption (efficace) 2 3

- Back-transfert 3-2 4-5

Mécanisme d’avalanche de photon

PompagePompage direct direct dansdans le bleu le bleu autourautour de 440 nmde 440 nm

Diode Bleue Nichia Corporation

(S. Nakamura 1996)

- A base de GaN

- Bonne qualité de faisceau (M2 proche de 1 après remise en forme)

- 50 mW disponible (06/2006)

- Puissance de 500 mW aujourd’hui accessible (06/2007)


0

4

8

12

16

20

Energy (cm-1)

3H4

3H5

3H6

3F2

3F3,3F4

1G4

1D2

3P03P1

3P2 1I6

Diode≈445 nm

1D2

Laser




2. Différents schémas d’excitation envisagés- Avalanche- Pompage direct




MatMatéériaux dopriaux dopéés Prs Pr3+3+ éétuditudiééss

9 x 10-20 cm2

605,3 nm60 / 72 / 54 0.243.92, 1.78, 7.941.8 x 10-20 cm2

441.8 nmKYF4 :0.5%Pr

2.3 x 10-20 cm2

608 nm45 / 56 / 450.281.15, 3.60, 100.7 x 10-20 cm2

443 nmCaF2 :

2.8%Pr

2.7 x 10-19 cm2

610.1 nm31 / 28 / 210.221.66, 9.95, 198.4 x 10-20 cm2

446 nmKY3F10 :0.4%Pr

1.25 x 10-19 cm2

607 nm (E//b)

50/77/490.100.18, 4.45, 3.313.7 x 10-20 cm2

444.5 nm (E//b)BaY2F8 :0.1%Pr

2.8 x 10-19 cm2

604.2 nm (E//c)50 / 53 / 370.153.45, 3.94, 6.138 x 10-20 cm2

443.4 nm (E//c)LiYF4 :

0.26%Pr

3P0→3H6

max emission cross-section and wavelength

3P0 Fluorescence/Effective/

Intrinsic radiativelifetimes (µs)

tF / teff / tint

3P0→3H6

red emissionbranching ratio

Judd-OfeltParametersΩ2, Ω4, Ω6(10-20 cm2)

3H4→3P2

max absorption cross-section and wavelength

Studiedcrystals

+ PbF2, Bande d’émission intéressante centrée à 606.18 nm

Sections efficaces les plus favorables Non loin de la raie de YSO605.977 nm


S. Khiari et al, J. of All. and Compounds, 2007

KYKY33FF1010:Pr:Pr3+ 3+ -- EmissionEmission

580 600 620 640 6600,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,143P1,

3P0->3F2

3P0->3H6

KY3F10:Pr3+

Wavelength (nm)

Emis

sion

(arb

. uni

t)

610 nm

644.5 nm

Cristal isotrope

KYKY33FF1010:Pr:Pr3+3+

430 440 450 460 470 480 4900,0

2,0x10-20

4,0x10-20

6,0x10-20

8,0x10-20

1,0x10-19

3H4-3P2

3H4-3P1,

1I6

Wavelength(nm)

cros

s se

ctio

n (c

m2 )

3H4-3P0

446 nm (DL)

476.5 nm (Ar)


476.5 nm : absorption < 6 % sur 3 mm de cristal

KYKY33FF1010:Pr:Pr3+ 3+ -- AbsorptionAbsorption

0 50 100 150 200 250 3000

10

20

30

40

Puissance absorbée (mW)

Pui

ssan

ce L

aser

(mW

)KYKY33FF1010:Pr:Pr3+ 3+ -- RRéésultats laser en pompage directsultats laser en pompage direct


T=2.5 %

T=0.2 %

T=0.2 %

P. Camy et al Opt. Lett. (11), 2007

Cavité plan-concave

- Rout= 50mm- Longueur Cristal = 4.1 mm- Dopage : 0.4% Pr3+

- Poli faces //- Non traité AR- 60 % absorbés à 446 nm

λlaser = 644.5 nm

λpompe = 446 nm

KYKY33FF1010:Pr:Pr3+ 3+ -- RRéésultats lasersultats laser

Performances en pompage Diode GaN :

- λlaser = 644.5 nm, Pseuil =125 mW

- Puissance de sortie max dans le rouge : 39.4 mW

- Rendement (/ Pabs) = 23 %

- faible sensibilité aux fluctuations thermique sur la DL bleue


436 438 440 442 444 446 448 450 452 4540,0

2,0x10-20

4,0x10-20

6,0x10-20

8,0x10-20

1,0x10-19

3H4-3P2

W avelength(nm)

cros

s se

ctio

n (c

m2 )

Brevet conjoint Ciril-Philipsdéposé (01/2007)

3 nm


PbFPbF22:Pr:Pr3+ 3+ -- un bon candidat pour lun bon candidat pour l’’avalanche de photon ?avalanche de photon ?

- Pic centré à 606.18 nm- Absorption à 856 nm en régime d’avalanche- Basse énergie de phonons




2. Différents schémas d’excitation envisagés- Avalanche- Pompage direct




Laser rouge (644.5 nm) KY3F10Pompage Diode Bleue 446 nmCIRIL, Philips Aachen 12/2006

Laser orange (607 nm) BaY2F8Pompage par avalanche de photons Ti:Sa 850 nmENSCP 25/06/2007

Laser orange (604.5 nm) LiLuF4Pompage Laser Ar 476.5 nmCIRIL, Caen 18/06/2006

LasersLasers visiblesvisibles PrPr3+3+ : derniers r: derniers réésultats !sultats !


ConclusionsConclusions

Lasers solides dopés Pr3+ :

- Alternative aux lasers à colorants pour l’info Quantique dans YSO:Pr

- Solution pour obtenir du RVB pour la projection

Cristaux de fluorures :

- KY3F10:Pr meilleur compromis pour le RVB

- PbF2 – KYF4 bon candidats pour le 606 nm

Recherche et étude de nouveaux matériauxdopés Pr3+ ou Er3+ pour émission dans le vert et le rouge

Fabrication de cristaux massifs et mini-lasers pompés par diodes pour émission dans le vertet autour de 606 nm

Fabrication de couches minces par épitaxieen phase liquide (LPE, transfert de techno. du LETI/CEA)et microlaser guides d’onde ou thin disk pompés par diodes

PerspectivesPerspectives


Projet ANR avec LVC à Rennes, LdOF au Mans, ENSCP à Paris(en cours d’examen)

Laser rouge (644.5 nm) KY3F10Pompage Diode Bleue 446 nmCIRIL, Philips Aachen 12/2006

Laser orange (607 nm) BaY2F8Pompage par avalanche de photons Ti:Sa 850 nmENSCP 25/06/2007

Laser orange (604.5 nm) LiLuF4Pompage Laser Ar 476.5 nmCIRIL, Caen 18/06/2006

Merci pour votre attentionMerci pour votre attention


cristaux dopés praséodyme pour émission laser dans …cmdo.cnrs.fr/img/pdf/camy_jnco_2007.pdf ·...

Documents