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

Sources laser solides , pompées par diode, émettant autour de 1000 et 500 nm, à base de cristaux dopés ytterbium et de semiconducteurs. Équipe Lasers Solides et Applications Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique. Mathieu JACQUEMET. Directeur de thèse : François BALEMBOIS.

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

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Presentation Transcript

  1. Sources laser solides, pompées par diode, émettant autour de 1000 et 500 nm, à base de cristaux dopés ytterbium et de semiconducteurs. Équipe Lasers Solides et ApplicationsLaboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique Mathieu JACQUEMET Directeur de thèse : François BALEMBOIS LNE-INM/CNAM, Paris Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

  2. Plan 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 Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

  3. Laser monomode longitudinal ν0±Δν/2 532 nm Δν ≈ 200 kHz - 501,7 nm Δν ≈ 10 kHz Introduction • 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 , ΔνCheng et al., Optics Letters , 27 (2002) (Nd:YAG doublé en fréquence) puissance nécessaire ≈ 30 mW Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

  4. Laser Nd:YVO4 pompé par diode (808 nm) et doublé en fréquence 501,7 nm Ti:Sa ω2ω 532 nm 1003,4 nm Actuellement 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 • Notre but : Lasers solides directement pompés par diode émission monomode longitudinale 1003,4 nm. + doublement de fréquence 501,7 nm Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

  5. λ2ω≈ 500 nm λω≈ 1000 nm Cristal non linéaire Pompage optique par diode laser milieu Laser Architecture générale • Régime continu Puissances de sortie IR modestes Solutions étudiées : • Laser Yb3+:cristal doublé en fréquence • Laser à Semiconducteurs Pompés Optiquement et doublé en fréquence (OPSL) • Doublement de fréquence (1003,4 nm 501,7 nm) intracavité Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

  6. Bernard Ferrand CEA-LETI, Grenoble Bruno Viana LCAES, Paris Rappel du Plan • Introduction et motivations de ces travaux • Solution laser à base de cristaux dopés ytterbium • Choix des cristaux laser • Résultats expérimentaux • Solution laser à base de semiconducteurs (OPSL – Laser à Semiconducteurs Pompé Optiquement) • Comparaisons, conclusion et perspectives Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

  7. Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Généralités sur les Yb3+: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 : Yb:KYW ≈ 900 nm 2F5/2 émission 980 nm ≈ 1 µm absorption 2F7/2

  8. 11000 11000 10750 10750 N N 2 2 10500 10500 10250 10250 10000 10000 1000 1000 nm nm ) ) 1 1 1040 1040 - - nm nm nergie (cm nergie (cm 1080 1080 980 980 nm nm nm nm É É 800 800 600 600 N N 400 400 200 200 0 0 Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Un système "quasi-2 niveaux" Difficulté d'une émission à 1003 nm : Niveau terminal de la transition laser très proche du sous-niveau fondamental : Population thermique importante ≈ 30% N1 Absorption importante à λL(σaL) Gain :IP > IPtransp. Fortes intensités de pompe tout au long du cristal 1 1 Niveaux énergétiques du Yb:YSO

  9. Gain linéique "petit signal" : gL0 et gL0 élevé – Faible sensibilité face aux pertes introduites (éléments sélectifs enλ, cristal non linéaire, doublement, …) Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Paramètres importants pour le choix 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

  10. 5,0 5,0 Matrice hôte (λP) KYW (981 nm) KYW (981 nm) ) pour ) pour 4,0 4,0 1 1 - - KGW (981 nm) KGW (981 nm) 3,0 3,0 KYW (931 nm) KYW (931 nm) =1W sur un rayon de 50 µm =1W sur un rayon de 50 µm YSO (978 nm) YSO (978 nm) 2,0 2,0 KGW (935 nm) KGW (935 nm) ain linéique petit signal (cm ain linéique petit signal (cm YAB (975 nm) YAB (975 nm) YVO4 (985 nm) YVO4 (985 nm) Directions favorables 1,0 1,0 YAG (940 nm) YAG (940 nm) pompe pompe YAG (968 nm) YAG (968 nm) CaF2 (979 nm) CaF2 (979 nm) CaF2 (922 nm) CaF2 (922 nm) P P G G 0,0 0,0 0 0 5 5 10 10 15 15 20 20 0 YSO (900 nm) YSO (900 nm) (kW.cm-2) IPtransp. -1,0 -1,0 Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Figure de mérite pour un effet laser à 1003 nm 981 nm Yb:KYW 931 nm Cristaux retenus : - Yb:YSO pompé @ 978 nm - Yb:KYW pompé @ 981 nm - Yb:KYW pompé @ 931 nm Yb3+:Y2SiO5 – Yb:YSO : Silicate IP > IPtransp. tout au long du cristal IDiode≈ 30-60 kW.cm-2 Yb3+:KY(WO4)2 – Yb:KYW : Tungstate

  11. ≈ 1003 nm Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Spectres des cristaux retenus ≈ 1003 nm Yb3+:KY(WO4)2 – Yb:KYW (commercial) Yb3+:Y2SiO5 – Yb:YSO (non commercial)

  12. 11000 11000 Peuplement Peuplement 10750 10750 thermique thermique N N 2 2 10500 10500 10250 10250 10000 10000 1000 1000 nm nm ) ) 1 1 1040 1040 - - nm nm nergie (cm nergie (cm 1080 1080 980 980 nm nm nm nm É É 800 800 600 600 N N 1 1 400 400 200 200 0 0 βgrand IP grande Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 De plus, … compétition des λ Section efficace de gain : σg(gL = σg NTot) β = N2/Ntot : taux d'inversion de population σg = β (σeL+ σaL) - σaL 1,0 Yb:YSO β = 25 % β = 20 % β = 15 % β = 10 % β = 5 % 0,75 σg (10-21 cm2) 0,5 0,25 NTot :Concentration en Yb3+ 0,0 Longueur d'onde (nm)

  13. Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 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. 2 1 Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Comment avoir IP 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 %

  15. Transmission (%) θ θ Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Comment forcer l'oscillation laser à 1003 nm ? • Insérer des pertes importantes à toutes les λ > 1010 nm : "Filtre passe-bas" réalisé par un miroir dichroïque (HR 985 nm – HT 1040 nm) β = 25 % Yb:YSO 1,0 0,75 σg (10-21 cm2) 0,5 0,25 0,0 Longueur d'onde (nm) θ , λPertes mais, T1003

  16. Recyclage Yb:cristal + ≈ 3,5 mm Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Comment discriminer λpompe et λlaser ? 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 ≈3,5 mm Schéma de pompage hors d'axe – angle minimisé

  17. Y Y Z Z Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Schéma de pompage Cube Séparateur de Polarisation Jacquemet et al., Applied Physics B, 78 (2004) L1 C.S.P. WP≈ 50-70 µm Yb:cristal λ/2 Diode de pompe Système de Prismes S. P. Vue de côté Miroir d’entrée coupé L2 Vue de côté 17

  18. 1,5 GHz Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Performances @ 1003,4 nm avec Yb:YSO LCav≈1,4 m – ISL = 210 MHz Cavité en anneau : émission monomode longitudinale θ ≈ 16°, T1003 ≈ 5% Rotateur de Faraday Rotateur de Faraday En pompage diode Yb:cristal : λL aussi basse pour la première fois ! Très faible défaut quantique ≈ 2,5 % Effet laser efficace à Tambiante Pmax = 400 mW pour PP = 3,3 W T1003≈ 5%

  19. Cristal non linéaire Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Cavité pour le doublement de fréquence Minimiser les pertes à 1003 nm θ ≈ 8°, T1003 ≈ 0,5% Rotateur de Faraday 501,7 nm Pintra≈ 15-20 W WKNbO3≈ 90 µm 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)

  20. ISL ≈ 1,5 GHz 3 MHz Puissance laser à 501 nm (mW) Courbe de transmission de l’analyseur FP Sans asservissement : Δυ < 3 MHz Puissance de pompe incidente à 978 nm (W) Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Yb:YSO à 501,7 nm En régime monomode spectral 60 mW @ 501,7 nm - PP≈ 3,2W - ηOpt-Opt = 1,5 % Jacquemet et al., Optics Express, 13 (2005)

  21. Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Et sur le marbre …

  22. 5,0 5,0 KYW (981 nm) KYW (981 nm) ) pour ) pour 4,0 4,0 1 1 - - KGW (981 nm) KGW (981 nm) 3,0 3,0 KYW (931 nm) KYW (931 nm) =1W sur un rayon de 50 µm =1W sur un rayon de 50 µm YSO (978 nm) YSO (978 nm) 2,0 2,0 KGW (935 nm) KGW (935 nm) ain linéique petit signal (cm ain linéique petit signal (cm YAB (975 nm) YAB (975 nm) YVO4 (985 nm) YVO4 (985 nm) Directions favorables 1,0 1,0 YAG (940 nm) YAG (940 nm) pompe pompe YAG (968 nm) YAG (968 nm) CaF2 (979 nm) CaF2 (979 nm) CaF2 (922 nm) CaF2 (922 nm) P P G G 0,0 0,0 0 0 5 5 10 10 15 15 20 20 0 YSO (900 nm) YSO (900 nm) (kW.cm-2) IPtransp. -1,0 -1,0 Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Et le Yb:KYW !? Gain important @ 1025 nm : insérer des pertes plus importantes θKYW > θYSO Yb:KYW : Un cristal commercial

  23. Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Yb:KYW à 501,7 nm Effet laser à 1003 nm uniquement pour θ ≈ 16° (T1003 ≈ 5%) En régime monomode spectral Puissance laser à 501,7 nm (mW) Yb:KYW : > 35 mW @ 501,7 nm Objectif atteint avec un cristal commercial Puissance de pompe incidente à 981 nm (W)

  24. Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005 Comparaison des solutions Yb • 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     Objectifs atteints • Banc de pompage hors d'axe à 980 nm/résonateur "complexes" Une autre solution plus simple ?!

  25. Isabelle Sagnes LPN, Marcoussis Arnaud Garnache CEM2, Montpellier Rappel du Plan • 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) • Principes généraux • Limitation thermique • Résultats expérimentaux • Comparaisons, conclusion et perspectives Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

  26. Principe de fonctionnement VCSEL : "Vertical-Cavity Surface Emitting Laser" • 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) = Laser à Semiconducteurs Pompé Optiquement Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

  27. Les puits quantiques • Barrières : absorption photons pompe • Migration des porteurs dans les puits • Recombinaison : émission à λLaser • 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) Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

  28. Avantages combinés :lasers semiconducteurs+lasers solides : Avantages 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 • 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 Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

  29. Puissance Laser (mW) Puissance de pompe incidente à 808 nm (W) Performances laser d'une structure 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 1007 nm GaAS 1001 nm Pourquoi une émission laser si peu efficace ? Les effets thermiques Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

  30. 2.WP Pour RTh, KC et WP Principale limitation : la thermique Pompage optique Création de chaleur dans la zone active (défaut quantique, désexcitations non radiatives) e Evacuation thermique principalement limitée par la résistance thermique du substrat RTh~ e/(KC.WP) (GaAs : KC≈ 45 W.m-1.K-1) Radiateur Cu + Peltier Substrat (300 µm) Zone active ≈ 5 µm Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

  31. 1 Substrat GaAs Substrat GaAs Au In Au Au SiC Substrat GaAs AuIn2 AuIn2 2 Support SiC SiC 4 3 © made in LPN J. Dion Technique 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 Émission ≈ 5 µm QW + Bragg Bragg + QW Ti Couche d’arrêt Pression, Température Polissage, Attaque chimique Ti 270 µm ≈ 1 µm Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

  32. Améliorations apportées par le report • 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. Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

  33. étalon FP 50 µm 1,5 GHz Résultats monomode à 1003 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) Emission monofréquence en cavité linéaire. Pmax≈ 500 mW L'insertion de pertes diminue Pintra Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

  34. Diode laser de pompe fibrée @ 808 nm R=200 mm HR 1 µm Radiateur SiC étalon FP 100 µm Filtre de Lyot KNbO3 et four WKNbO3≈ 90 µm R=200 mm HR 1 µm HT 500 nm R=75 mm HR 1 µm HT 500 nm Schéma expérimental à 502 nm • 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 Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

  35. Résultats à 502 nm • 60 mW pour 6 W de pompe • Emission monomode longitudinale 6,5 MHz Analyseur Fabry-Perot (ISL 1,5 GHz) Sans asservissement : Δυ < 6,5 MHz Objectifs atteints avec une architecture "simple" Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

  36. Mais … 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) Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

  37. Rappel du plan • 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 Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

  38. 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 Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

  39. Comparaison "technologique" • OPSL : • pompage/résonateur simple • moins bon rendement opt.-opt. total (1 %) • stabilité monofréquence moyenne • accordabilité monofréquence + difficile (IR) • Yb:cristaux : • pompage/résonateur complexe • bon rendement opt.-opt. total (1,5 %) • bonne stabilité monofréquence • accordabilité monofréquence aisée (IR) Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

  40. Conclusion • 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 Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

  41. Perspectives • 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 Soutenance de Thèse – jeudi 8 décembre 2005

  42. MERCI

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