Laser de haute puissance à fibre

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1 Laser de haute puissance à fibre cristalline en Nd:YAG élaborée par la technique micro-pulling pulling-down Julien Didierjean, Damien Sangla, Marc Castaing, François Balembois, Patrick Georges Laboratoire Charles Fabry de l'institut d'optique, Palaiseau Didier Perrodin, Nicolas Aubry, Jean-Marie Fourmigué Fibercryst, Lyon Kheirreddine Lebbou, Olivier Tillement, Alain Brenier Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents, Lyon

2 Plan de l exposl exposé 1. Principe et technique de croissance des fibres monocristallines 2. Caractérisation risation des fibres monocristallines en Nd:YAG et comparaison à un cristal massif 3. Fonctionnement laser en régimes r continu et déclenché Optique Grenoble

3 Plan de l exposl exposé 1. Principe et technique de croissance des fibres monocristallines 2. Caractérisation risation des fibres monocristallines en Nd:YAG et comparaison à un cristal massif 3. Fonctionnement laser en régimes r continu et déclenché Optique Grenoble

4 Entre les cristaux massifs et les fibres dopées es Lasers à cristal masssif Lasers à fibre Haute puissance crête en régime r pulsé Haute conductivité thermique Grandes sections efficaces d émission Haute puissance en régime r continu Excellente qualité spatiale du faisceau Bonne gestion de la thermique Mauvaise gestion de la thermique Puissance laser limitée en régime r continu Effets non-lin linéaires à hautes puissances crêtes Faibles sections efficacs d émission Optique Grenoble

5 Concept du laser à fibre cristalline Laser à cristal massif Laser à fibre Pompe non guidée Cristal Laser non guidé Pompe guidée Fibre double clad Laser guidé 1 cm cm Diam. 30 µm Pompe guidée Fibre monocristalline Laser à fibre monocristalline Monocristal : Bonnes Kc et σ émission Laser non guidé Milieu long and fin : bonne gestion de la thermique 5-10 cm Diam mm Difficile à obtenir par croissance Czochralski Guidage de la pompe Mode transverse défini par la cavité Optique Grenoble

6 Techique de croissance : Micro-Pulling Pulling-Down Chauffage Support céramique Creuset Mélange fondu de Nd:YAG Fibre cristalline Germe orienté Mécanisme de tirage Fibres jusqu à 1 mètre de long Diamètre compris entre 300 µm et 1 mm Croissance rapide et peu coûteuse Nombreux matériaux possibles (YAG, LiNbO 3, Al 2 O 3, BGO, ) Optique Grenoble

7 Techique de croissance : Micro-Pulling Pulling-Down Nd:YAG dopé à 0,2 at.% Fibres monocristallines de diamètre 1 mm et de 5 cm de longueur Fibre cristalline de 1 m de long Optique Grenoble

8 Plan de l exposl exposé 1. Principe et technique de croissance des fibres monocristallines 2. Caractérisation risation des fibres monocristallines en Nd:YAG et comparaison à un cristal massif 3. Fonctionnement laser en régimes r continu et déclenché Optique Grenoble

9 Guidage et transmission Doublets d imagerie Fibre monocristalline en Nd:YAG 5 cm de long et 1 mm de diamètre Détecteur Diode laser fibrée λ = 980 nm ON= 0.2 Efficacité de guidage = 90% Fibres provenant directement de la croissance (pas de travail supplémentaire du cylindre) Fibre monocristalline en Nd:YAG 5 cm de long et 1 mm de diamètre Détecteur Faisceau sonde λ = 1064 nm P = 1 W TEMoo Rayon du faisceau w 0 = 250 µm Transmission = 99 % avec traitements AR Optique Grenoble

10 Comparaison avec un cristal massif Czochralski Mesure de déformation du front d onde Faisceau sonde : Sortie d un d laser HeNe avec un front d onde incident plan à λ/100. Diamètre de faisceau = 250 µm Cristal massif Extrait d une boule Czochralski : Carottage et polissage difficile pour des diamètres inférieurs à 1 mm x λ Fibre monocristalline Croissance directe par micro-pullingdown Pas de travail supplémentaire x λ Déformation : λ/40 RMS Déformation : λ/10 RMS Optique Grenoble

11 Comparaison avec un cristal massif Czochralski Fibre-coupled Diode laser Laser fibrée diode 808nm de 60 W à 808 nm Diam 400µm de diamètre 400 µm Ménisque MeniscusR=50 mm RoC =50mm HR 1064 nm HR 1064nm Single crystal fibre Nd: YAG L = 50mm Diam = 1mm Cristal massif ou fibre cristalline Output mirror RoC=100mm Coupleur de sortie T = R= nm mm T = 1064 nm Laser 1064nm Puissance laser (W) Cz 7 W, M 2 = 7 µ-pd 5 W, M 2 = Puissance de pompe (W) Facettes sur la fibre monocristalline Plus faible nombre de modes excités Efficacité plus faible Meilleur M² Optique Grenoble

12 Plan de l exposl exposé 1. Principe et technique de croissance des fibres monocristallines 2. Caractérisation risation des fibres monocristallines en Nd:YAG et comparaison à un cristal massif 3. Fonctionnement laser en régimes r continu et déclenché Optique Grenoble

13 Laser en régime r continu Ménisque MeniscusR=50 mm RoC =50mm HR 1064 nm HR 1064nm Output mirror RoC=100mm Coupleur de sortie T = R= nm mm T = 1064 nm Fibre-coupled Diode laser Laser fibrée diode 808nm de 120 W à 808 nm Diam 400µm de diamètre 400 µm Single crystal fibre Nd: YAG L = 50mm Diam = 1mm Fibre cristalline Nd:YAG (0,25 at.%) Long = 50 mm, Diam = 1 mm, Faces Traitées AR Laser 1064nm Puissance laser (W) Puissance laser maxi = 20 W Pente d efficacitd efficacité 18% Puissance de pompe (W) Résultats : -20 W de puissance laser pour 120 W de pompe -Faisceau de sortie multimode : M² M = 6 Optique Grenoble

14 A notre connaissance : plus forte puissance laser obtenue avec une fibre cristalline obtenue par croissance directe! Puissance laser (W) [1] Nd:YAG P laser < 1 mw Laser en régime r continu [2] Nd:YAG P laser = 30 mw Année Ce travail : Nd:YAG P laser = 20 W [3] Nd:YVO 4 P laser = 250 mw [5] Nd:YAG P laser = 10 W [4] Nd:YAG P laser = 380 mw [1] J.Stone et al., App. Phys. Lett. 29, (1976). [2] M.J.F. Digonnet et al., Journal of Lightwave Technology LT4, (1986). [3] A.S.S. de Camargo et al., Optics Letters 29, (2004). [4] V.B. Tsvetkov et al., in Advanced Solid-State Photonics 2005 Technical Digest (The Optical Society of America, Washington, DC, 2005), TuC3. [5] Julien Didierjean et al., Optics Letters Vol 31 (23), p3468, 2006 Optique Grenoble

15 Laser polarisé en régime r continu Diode laser fibrée nm Diamètre 400 µm Ménisque Rayon = 50 mm HR 1064nm Fibre monocristalline Emission 1064nm 1064 nm Miroir R=100 mm R 1064 nm Puissance laser (polarisé) (W) Puissance de pompe (W) Résultats : - 16 W de puissance laser pour 115 W de puissance de pompe - Taux de polarisation : > 94 % verticalement Optique Grenoble

16 Laser en régime r déclenché Ménisque Meniscus R=50 mm RoC HR =50mm 1064 nm HR 1064nm A.O. modulator A.O. Modulateur Miroir Output de mirror sortie R=100 mm RoC=100mm T = 1064 nm T = 1064 nm Fibre-coupled Laser diode Diode laser 808nm fibrée 60 Diam W 808 nm Diamètre 400 µm Single crystal fibre Nd: YAG L = 50mm Diam = 1mm L cav = 17 cm Laser 1064nm Fibre cristalline Nd:YAG (0,25 at.%) Long = 50 mm, Diam = 1 mm, Faces Traitées AR Résultats (pour 60 W de puissance de pompe) ) : P moyenne = 4.5 W Taux de répétition = 1 khz Durée d impulsions = 12 ns Energie = 4.5 mj P crête = 375 kw Optique Grenoble

17 Etudes thermiques Fibre cristalline Nd:YAG Long = 50 mm Diam = 1 mm, 0.2 % Nd 3+ Pompe guidée Puissance de Pompe = 60 W Simulations par éléments finis T max simu = 130 o C Mesures à la Caméra Infrarouge Caméra IR FLIR T Fibre cristalline Pompage Miroirs de cavité T maxi mesurée = 150 o C Optique Grenoble

18 Simulations thermiques par éléments finis Evaluation de la puissance de pompe supportable pour une intensité de stress maximal (140 MPa) Cristal massif de Nd:YAG 10 mm de long 3 mm de diamètre 1 % Nd 3+ Spot de pompe 400 µm T max = 215 o C Puissance de pompe maximale = 60 W Fibre cristalline de Nd:YAG 50 mm de long 1 mm de diameter 0.2 % Nd 3+ Pompe guidée (sur un diam. 1 mm) T max = 250 o C Puissance de pompe maximale = 500 W Optique Grenoble

19 Conclusions Fibres cristallines de grande qualité élaborées par micro-pulling-down Plus haute puissance laser obtenue avec une fibre monocristalline directement issue de la croissance : - Jusqu à nm pour 120 W puissance de pompe kw de puissance crête en régime déclenché Fort potentiel pour atteindre de hautes puissances de pompe Optique Grenoble

20 Perspectives Gaine non dopée pour améliorer l efficacité et la qualité de faisceau Test d autres matériaux laser obtenus par micro-pulling-down Augmenter la puissance de pompe Ce travail a été rendu possible grâce à : - la DGA (contrat N ) - l Agence Nationale de la Recherche avec le projet Idéalaser (contrat N ANR-06-BLAN-0364) Optique Grenoble

21 Merci pour votre attention Optique Grenoble