STAGE LASERS INTENSES Du 15 au 19 mai 2006 COURS Production d impulsions d laser nanosecondes en régime déclenché Directeur de Recherche au CNRS Responsable de l Équipe Lasers Solides et Applications (ELSA) du Laboratoire Charles Fabry de l Institut d Optique Patrick.Georges@iota.u-psud.fr
Production d impulsions d laser nanosecondes en régime déclenché
Nd 3+ Nd SPECTROSCOPIE DE L ION L Nd 3+ DANS LA MATRICE DE YAG :Y 3 Al 5 O 12 3+ :Y Niveaux d énergie supérieure (peuplés par le pompage) 4 S 3/2 -- 4 F 7/2 4 F 5/2 -- 3 H 9/2 Décroissance rapide non radiative Niveaux d énergie supérieure (métastable) 4 F 3/2 Bandes de pompage 0,73 µm 0,808 µm τ r = 240 µs 4 I 9/2 4 I 15/2 4 I 13/2 4 I 11/2 Etat fondamental 1444 nm 1064 nm 946 nm
Cristaux De Nd:YAG Élaborés par SYNOPTICS Litton-Airtron
ÉTUDE D UN D LASERS Nd:YAG IMPULSIONNEL POMPÉ PAR LAMPES FLASHS λ/4 Polariseur Barreau de Nd:YAG Cellule de Pockels Lampes flashs Durée des flashs: 200 µs (< temps de vie du niveau supérieure) Spectre visible des lampes flashs --> faible efficacité Taux de répétition limité par les effets thermiques dans le barreau de Nd:YAG --> 10 à 30 Hz Cellule de Pockels pour produire des impulsions de 10 ns par déclenchement de la cavité
PRINCIPE DU DÉCLENCHEMENT (Q:SWITCHING) LOSS LOSS GAIN 1 2 LOSS LOSS LASER OUTPUT GAIN GAIN 3 4
EXAMPLES DE DISPOSITIFS POUR LE DÉCLENCHEMENT Miroir rotatif (trop lent) Absorbant saturable (élément passif, pas de contrôle, multiple impulsions) Transmission Densité d énergie Dispositif électro-optique ou cellule de Pockels, basée sur un cristal de KDP (KH 2 PO 4 ) Variation rapide de l indice de réfraction avec la haute tension appliquée (qq kv en moins de 3 ns)
PERFORMANCES Oscillateur : 400 mj, impulsions de 10 ns @ 1064 nm et 10 Hz Mirroirs gaussiens, cavités instables pour améliorer la qualité du faisceau Oscillateur + amplificateurs (MOPA): jusqu à 3 Joules @ 10 Hz Compagnies : Spectra Physics (USA) Continuum (USA) Thales Laser (France) Coherent (USA) Quantel (France) CILAS (France, militaire) Applications : - industrielle (usinage, nettoyage laser, opthalmologie) - scientifique (pompage de laser à colorant, effets non linéaires, mesure de vitesse de particules par vélocimétrie,...) - militaire (contre mesures par éblouissement de capteurs, désignation de cibles sur le champ de bataille,...)
Quantel (France) Série : Brillant Double tête pour la PIV (Particle Image Velocimetry)
COUPLAGE DIODE + LASER τ un système accumulateur d énergie - longue durée de vie de l état excité (0,1 to 10 ms) --> production d impulsions (ns) très énergétiques τ un convertisseur de mode spatial - pompe multimode transverse --> émission monomode τ un convertisseur de fréquence - largeur de raie < largeur spectrale des diodes - transformation du caractère multimode de la pompe en un faisceau monofréquence (par injection ou filtrage) Diodes de pompage multimodes spatiales Milieu à gain Faisceau laser monomode transverse
SPECTRE D ABSORPTION D DU Nd:YAG
MICROLASER DÉCLENCHÉ PASSIVEMENT Volume : 1 mm 3 Cristal : Nd 3+ :YAG (750 µm, 1,1 % Nd) Diode de pompage @ 808 nm (AlGaAs, 1 W, 1x100 µm) Miroirs faisceau à 1,064 µm Absorbant saturable Cr 4+ :YAG (30-50 µm) Performances : énergie des impulsions: < 20 µj (exemple) durée des impulsions < 2 ns puissance crête < 30 kw JDS Uniphase-France puissance moyenne < 200 mw Depuis qq mois : taux de répétition < 100 khz Teem Photonics faisceau limité par diffraction monomode longitudinal
Étude d une source d impulsions UV haute cadence µlaser ampli 3 ω UV, ps, khz Diode laser Diode laser Microlaser Lentille Cristal doubleur Cristal tripleur Diodes laser 2W par 1x100µm 2 Cristal Nd:YVO 4 Doublet Transfert de technologie : le DualChip
Cadence 65 khz Durée (UV) 530 ps Puissance moyenne UV 100 mw Énergie par impulsion UV 1,5 µj Rendement IR UV 11,3 % Qualité spatiale Circulaire gaussien
Transfert de technologie : amplificateur 3D multipassage 8 passages du signal Thèse de Sébastien FORGET Zone de gain Pompe Brevet aux USA, Europe et Canada Cristal amplificateur Performances : 6 W à 1064 nm et 600 mw dans l UV à 355 nm Microlaser TwinChip Amplificateur Trois protos (IR, Vert et UV) en tests
LASER Nd:YVO 4 DE HAUTE PUISSANCE POMPÉ PAR DES BARETTES DE DIODES FIBRÉES SPECTRA PHYSICS http://www.splasers.com Barette de diode laser fibrée 20 W @ 808 nm Miroir Rmax Nd:YVO 4 Nd:YVO 4 : plus forte absorption que le Nd:YAG Barette de diode laser fibrée 20 W @ 808 nm Miroir de sortie T = 18 % Trou Aussi en régime impulsionnel (ns) par insertion d un modulateur acousto-optique Gestion des effets thermiques!!! > 13 W continu, TEMoo limité par diffraction M 2 > 1,05 (pour 26 W de puissance de pompe --> 53 % efficacité optique/optique)
HIPPO : High Intensity and Peak Power Oscillator
HIPPO 532nm: Oscillateur 1064nm & Doubleur L oscillateur et le module doubleur sont alignés indépendamment par rapport a une référence mécanique (tiges de guidage). On peut ainsi changer un module 2w, 3w ou 4w sur site sans réalignement.
Wavelength 1064nm 532 nm 355 nm 266 nm Power @ 40 khz (W) >17 W >40kHz > 11 W > 4.5 W > 2 W Pulse-width @ 40 khz < 15 ns <13 ns < 11 ns < 11 ns (ns) Spatial mode M 2 < 1.2 < 1.3 < 1.3 < 1.5
Power (W) 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 Output Power for SHG and THG vs. Rep rate 0 0 20 40 60 80 100 PRF (khz) PowerIR PowerG PowerUV Conversion efficiency (%) 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 Conversion efficiency for SHG and THG ConvEffG ConvEffUV 0 20 40 60 80 100 PRF (khz) 06/19/2001
POMPAGE TRANSVERSE Barreau de Nd:YAG pompé par des concentrateurs paraboliques Tube à circulation (refroidissement) module diode (24 diodes) Livermore (LLNL) Barreau laser Traitement pour réflexion diffuse Barreau laser Modulateurs acousto-optiques pour le déclenchement 450 W cw et 250 W @ 13 khz @ 1064 nm pour une puissance de pompe de 1200 W
Livermore (LLNL) P moy : 300 W @ 10-20 khz @ 532 nm Compétitif par rapport aux lasers à vapeur de cuivre (120 W max) et aux lasers solides pompés par lampes (50 à 100 W)
LASER Nd:YAG IMPULSIONNEL POMPÉ PAR DES DIODES LASER IMPULSIONNELLES (configuration MOPA) Recherche issue du LCR de Thomson et commercialisé par Thomson Laser --> série DIVA Laser Nd:YAG entiérement refroidit par air : 0 -- > 20 Hz durée : 10 ns Profil spatial TEMoo 20 mj @ 1064 nm 10 mj @ 532 nm 5 mj @ 355 nm 5 mj @ 266 nm Puissance électrique : 110 V, < 5A
CONFIGURATION : OSCILLATEUR - AMPLIFICATEURS Oscillator 1er amplificateur, 4 passages Lens duc Cellule Polariseur de Pockels Stack de diodes haute luminance refroidit par air cristal Nd:YAG refroidit par air Φ = 6 mm, L = 5 mm λ/4 cristal Nd:YAG cristal Nd:YAG 2ème amplificateur, 2 passages