Nicolas AUBRY 1,2. Julien Didierjean, Didier Perrodin, Jean-Marie Fourmigué 1. Fibercryst, Lyon, France

Transcription

1 Caractérisations risations de fibres monocristallines YAG dopées produites par micro-pulling pulling-down Yb (µpd)( Nicolas AUBRY 1,2 pour applications laser Julien Didierjean, Didier Perrodin, Jean-Marie Fourmigué 1 Fibercryst, Lyon, France Kheirreddine Lebbou, Alain Brenier, Olivier Tillement, Cédric Mancini 2 Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents, Lyon, France Damien Sangla, Igor Martial, François Balembois, Patrick Georges Laboratoire Charles Fabry de l'institut d'optique, Palaiseau, France

2 1. Présentation Sujet de thèse : "Elaboration et caractérisation de fibres monocristallines pour application aux lasers impulsionnels de puissance " Création d une ANR Yb:YAG - Croissance et caractérisation de fibres Yb:YAG - Fabrication d une structure cœur/gaine Nicolas Aubry, Julien Didierjean, Didier Perrodin, Jean-Marie Fourmigué (Société Fibercryst, Lyon) Damien Sangla, François Balembois, Patrick Georges (Equipe ELSA, Institut d Optique, Palaiseau) Kheireddine Lebbou, Olivier Tillement, Alain Brenier (LPCML, Lyon)

3 Concept Laser

4 2. Concept Laser Deux concepts différents : Pompe en propagation libre Cristal Signal laser en propagation libre Pompe guidée Fibre optique Signal guidé 1 cm Laser à cristal massif cm Laser à fibre optique Diam µm Impulsion de forte puissance crête Section efficace d émission élevée Haute conductivité thermique Mauvaise gestion thermique Puissance limitée en continu (cw) Forte puissance en continu (cw) Très bonne qualité du faisceau Bonne gestion thermique Faible section efficace d émission Effets non-lin linéaires à fortes puissances crêtes

5 2. Concept Laser Un système hybride! Pompe en propagation libre Cristal Signal laser en propagation libre Pompe guidée Fibre optique Signal guidé 1 cm Laser à cristal massif cm Laser à fibre optique Diam µm K c, σ e Gestion thermique Pompe guidée Répartition thermique Matrice cristalline Longueur ~ 4-10 cm Diam mm Brevet n (CNRS/Fibercryst) Signal en propagation libre Evite les effets non-linéaires

6 La méthode m micro-pulling

7 3. La méthode micro-pulling-down Caractéristiques Tirage vers le bas Contrôle en temps réel des paramètres de tirage Tirage de fibres monocristallines Longueur max : 1 m Diamètre : de 300 µm à 3 mm Orientation contrôlée Géométries diverses possibles (section circulaire, carrée, tube, ) Matériaux YAG, LuAG, LuYAG dopés Yb, Nd, Er, Ce LYSO, YSO dopés Ce Saphir Yb:YAG Nd:YAG LN, Calgo, BGO Ce:LuAG Ø400µm Tube Ø int 400µm

8 3. La méthode micro-pulling-down Machine de tirage Fibercryst Schéma de principe µpd Etat stationnaire et connexion

9 Matériau et dimensionnement

10 4. Matériau et dimensionnement Une matrice YAG (Y 3 Al 5 O 12 ) Bonnes propriétés thermiques Croissance aisée Déjà démontré comme un milieu laser effectif 1 De l Ytterbium Yb 3+ comme ion dopant Structure électronique simple Pas d effets parasites Petit défaut quantique Faible charge thermique Quasi-3 niveaux 940 nm 2 F 5/ nm 2 F 7/2 1 Sangla, D., et al. High-power laser with Nd:YAG single-crystal fiber grown by micro-pulling down technique. in Solid State Lasers XVII: Technology and Devices San Jose, CA, USA: SPIE

11 Croissance des fibres YAG:Yb

12 5. Croissance de fibres cristallines YAG:Yb Fibres YAG Yb:YAG 1 % at. Fibres monocristallines de 5cm de long et 1mm de diamètre

13 5. Croissance de fibres cristallines YAG:Yb Préparation des échantillons lasers 5 cm de long 1 mm de diamètre 5 cm de long 400 µm de diamètre Deux axes de cristallisation <100> <111> Dans cette étude

14 Caractérisations risations

15 6. Caractérisations 6.1. Spectroscopie Echantillon YAG dopé Yb à 0,3 %at. Spectre d émission fait à 953 nm Temps de vie mesuré à 1030 nm Temps de vie : 1,06 ms Transition Yb 3+ : ²F 7/2 ²F 5/2 Spectre d émission du YAG:Yb 0,3 %at.

16 6. Caractérisations 6.2. Etude de la ségrégation Répartition longitudinale de l ionyb 3+ Mesures d absorption à 969 nm Concentration moyenne d échantillons de 5 cm de long Répartition homogène de l ion Yb Coefficient de ségregation de 1 ±0.1 K = C top /C 0

17 6. Caractérisations 6.2. Etude de la ségrégation Répartition radiale de l ion Yb nm 480 nm Répartition des ions Yb 3+ obtenue par micro-luminescence à 480 nm Figures obtenues à NanOptec (Lyon) avec la collaboration de C.Mancini et C. Dujardin Répartition radiale homogène des ions Yb Pas de ségrégation observée Coefficient de ségregation de l Yb dans le YAG de 1 (+/- 0,1)

18 6. Caractérisations 6.3. Qualité de surface Mesures de rugosité Méthode d interférométrie en lumière blanche Ø 1 mm 400 µm Rugosité 50 nm RMS 70 nm RMS RMS = Root Mean Square < λ/15!! (à 940 nm) Très faible rugosité

19 6. Caractérisations 6.4. Caractérisations optiques qualité cristalline Qualité cristalline interne Qualité cristalline générale (interne + surface) Transmission Guidage 1 mm Ø 99 % 94 % 0.4 mm Ø N.C. 95 % Très bonne qualité cristalline

20 6. Caractérisations 6.4. Caractérisations optiques - dépolarisation YAG matériau isotropique Dépolarisation due aux variations d indice Détection de défauts anisotropiques ou de contraintes T min = 4.8 % at 90 T max = 95.9 % at 0 D = T min /T max = 5 % (±0.5%) Faible dépolarisation

21 6. Caractérisations 6.4. Caractérisations optiques profil du faisceau a) b) Profil d intensité d un faisceau laser λ = 633 nm a) sans fibre b) après passage dans une fibre YAG:Yb de 1 mm Ø Transmission proche de 100 % Guidage d environ 95 % Conservation de 95 % de la polarisation QUALITE LASER Bonne préservation du profil du faisceau

22 Opération Laser

23 7. Opération Laser Régime continu Laser [W] µpd Yb:YAG single crystal fiber (diameter 400µm) Ø1 mm Pente d efficacité : 47 % Ø0,4 mm Pente d efficacité : 38 % Incident pump [W] Ø 1 mm : Pente d efficacitd efficacité 47 % M² = 2,5 Ø 0,4 mm : Pente d efficacitd efficacité 38 % M² > 10 Puissance de sortie : 65 W sous 190 W de pompe!!

24 7. Opération Laser Régime déclenchd clenché Ø 1mm : P moyenne = 9 W Taux de répétition r = 5 khz Durée e des impulsions = 13 ns Energie = 1.8 mj P crête = 138 kw I. Martial «Lasers à fibres cristallines dopées Nd et Yb : point sur les avancées récentes» - JNCO - Vendredi 4 décembre

25 Conclusion

26 8. Conclusion Des fibres monocristallines YAG:Yb de haute qualité cristalline Des puissances lasers en régime continu élevées Ø1 mm nm pour 190 W de pompe - M² = 2,5 Ø 0.4 mm nm pour 100 W de pompe -M²> 10 Forte puissance crête en régime déclenché 138 kw pour une fréquence de 5 khz Une énergie de 1,8 mj et 13 ns de durée d impulsion Résultats présentés dans : Characterizations of 0.4 and 1 mm diameter Yb:YAG single-crystal fibers grown by the micro-pulling-down method for laser applications. Aubry, N., et al., Journal of Crystal Growth, (23-24): p

27 Merci pour votre attention Ce travail a été supporté par : L Agence Nationale de la Recherche sous le projet Idéalaser N ANR-06-BLAN-0364