Lasers à fibres cristallines dopées Nd et Yb : point sur les avancées récentes

Lasers à fibres cristallines dopées Nd et Yb : point sur les avancées récentes I. Martial 1,2 D. Sangla 1, 3 N. Aubry 2,3 J. Didierjean 2 D. Perrodin 2 F. Balembois 1 K. Lebbou 3 A. Brenier 3 P. Georges 1 O. Tillement 3 J.-M. Fourmigué 2 1 Laboratoire Charles Fabry de l Institut d Optique, Palaiseau, France 2 Fibercryst SAS, Villeurbanne, France 3 LPCML, Lyon, France

Historique du projet Équipe Lasers Solides et Applications Thèse Matériaux (Didier Perrodin) (soutenue en juin 2007) Contrat DGA Thèse Laser (Julien Didierjean) (soutenue en décembre 2007) Thèse Matériaux (Nicolas Aubry) (soutenance prévue en 2009) Contrat ANR Thèse Laser (Damien Sangla) (soutenance prévue en 2009) Contrat DGA Thèse Laser (Igor Martial) (soutenance prévue en 2011) 2

Plan Introduction Concept du laser à fibre cristalline Comparaison fibres cristallines/barreau Czochralski Lasers à fibre dopée Nd En régime continu En régime déclenché Lasers à fibre dopée Yb En régime continu En régime déclenché Conclusion et perspectives 3

Entre les cristaux massifs et les fibres Pompe non guidée Laser à cristaux massifs cristal Laser non guidé Pompe guidée Laser à fibres Fibre double cœur Laser guidé 1 cm 100-10000 cm Diam. 30 µm Haute puissance crête Grande section efficace d'émission Bonne conductivité thermique Mauvaise gestion thermique Limité en régime continu Haute puissance moyenne Excellente qualité de faisceau Bonne gestion thermique Faible section efficace d'émission Effets non-linéaires à haute puissance crête 4

Concept des lasers à fibres cristallines Pompe non guidée Laser à cristaux massifs cristal Laser non guidé Pompe guidée Laser à fibres Fibre double cœur Laser guidé Pompe guidée 1 cm Fibres cristalline Laser à fibre cristalline Laser non guidé 3-10 cm Diam. 0.4-1 mm 100-10000 cm Diam. 30 µm Cristal : bonne conductivité thermique et section efficace d'émission Milieu long et fin : bonne gestion thermique Guidage de la pompe Mode transverse défini par la cavité 5

Concept des lasers à fibres cristallines Notre configuration Cavité Diode laser de puissance Fibre cristalline Modulateur Acousto-optique Schéma de pompage simple Cavité simple Génération d'impulsions courtes (ns) avec la faible longueur de cavité 6

Croissance des fibres cristallines Technique de micro-pulling-down (µpd) Des fibres prêtes à l emploi Cf «Caractérisations de fibres monocristallines YAG dopées Yb produite par micro-pulling-down (µpd) pour application laser» - Nicolas AUBRY JNCO 2009 7

Un peu d histoire 1 Fibres Nd en régime continu Tsetkov Puissance laser (W) (log scale) 0.1 0.01 Digonnet Nikolaev Lo De camargo 0.001 Burrus & Stone 1970 1980 1990 2000 2010 2020 Années 8

Optimisation des fibres Institut d Optique Fibercryst & LPCML Propriétés Optiques Nd:YAG Yb:YAG Transmission >96% >98% 97% Guidage >88% >91% 89% Dépolarisation 6% 4% 5% Des fibres de qualité laser Valeurs Moyennes Mesures similaires avec des barreaux Czochralski 9

Comparaison avec un barreau Czochralski Ménisque Meniscus RoC = 50 mm HR 1030 RoC nm,ht = 50 mm 940 nm Output coupler Coupleur RoC = 100 mm T=10% RoC = @ 100 1030 mm nm Fiber-coupled Diode laser Laser Diode @ 940 nm de puissance 60 W, Φ = 400 µm Barreau Czochralski Czochralski rod ou fibre orcristalline Single crystal fiber Output @ 1030 nm 8 7 2006 : Nd:YAG 1x50mm 0,3% at. 12 2008 : Yb:YAG 1x30mm 0,7% at. Puissance laser @ 1064 nm (W) 6 5 4 3 2 1 Barreau Czochralski Fibre cristalline Puissance laser @ 1031 nm (W) 10 8 6 4 2 Barreau Czochralski Fibre cristalline 0 0 10 20 30 40 Puissance de pompe @ 808 nm (W) 0 0 10 20 30 40 50 60 Puissance incidente @ 940 nm (W) Résultats similaires pour les deux types de matériaux 10

Plan Introduction Concept du laser à fibre cristalline Comparaison fibres cristallines/barreau Czochralski Lasers à fibre dopée Nd En régime continu En régime déclenché Lasers à fibre dopée Yb En régime continu En régime déclenché Conclusion et perspectives 11

Laser Nd en continu Ménisque MeniscusRoC = 50 mm HR HR 1064 1030 nm, nm,ht 808 940 nm Coupleur Output coupler de sortie RoC RoC = 100 = 100 mm mm T=40% % @ 1030 1064 nm nm Diode Fiber-coupled laser fibrée Laser Diode (Φ=400 @ 940 µm) nm 120 200 W, W @ Φ = 808 200 nmµm 1 Fibre at. % cristalline Yb:YAG Single 0,25 at.% crystal Nd:YAG fiber Φ = 11,5 mm, mm, L = L=50 40 mm mm Output Sortie @ @ 1030 1064 nm Sous 100 W de pompe P Max = 33 W M 2 ~5 12

Laser Nd en déclenché Ménisque MeniscusRoC = 50 mm HR HR 1064 1030 nm, nm,ht 808 940 nm Coupleur Output coupler de sortie RoC RoC = 100 = 100 mm mm T=40% % @ 1030 1064 nm nm Diode Fiber-coupled laser fibrée Laser Diode (Φ=400 @ 940 µm) nm 200 60 W W, @ Φ 808 = 200 nmµm 1 Fibre at. % cristalline Yb:YAG Single 0,25 at.% crystal Nd:YAG fiber Φ Φ = = 11 mm, mm, L L=50 = 40 mm A.O.M Output Sortie @ @ 1030 1064 nm A 1 khz et sous 60 W de puissance de pompe: P moy ~ 4,5 W Pcrête = 375 kw Énergie = 4,5 mj Durée = 12 ns M 2 < 5 J. Didierjean et al., Opt. Lett., Vol. 31, p3468-3470, 2006 13

Plan Introduction Concept du laser à fibre cristalline Comparaison fibres cristallines/barreau Czochralski Lasers à fibre dopée Nd En régime continu En régime déclenché Lasers à fibre dopée Yb En régime continu En régime déclenché Conclusion et perspectives 14

Laser Yb en continu Meniscus Ménisque RoC = = 50 50 mm mm HR 1030 nm,ht 940 940 nm nm Coupleur Output coupler de sortie RoC = = 100 mm T=40% % @ 1030 nm Fiber-coupled Diode laser fibrée Laser Diode (Φ=200 @ 940 µm) nm 200 200 W, W Φ @ = 940 200 nmµm 1 Fibre at. % cristalline Yb:YAG Single 1 at.% crystal Yb:YAG fiber Φ Φ = = 11 mm, L L=40 = mm Output Sortie @ 1030 nm @ 1030 nm P Max = 65 W sous 190 W de pompe M 2 ~ 2,5 Pente = 47% D. Sangla et al. App. Phys. B, 94(2), p203-207, 2009 15

Laser Yb en régime déclenché Ménisque Meniscus RoC = 50 mm HR 1030 nm,ht 940 nm Coupleur Output coupler de sortie RoC RoC = = 100 100 mm mm T=40% % @ 1030 nm Fiber-coupled Diode laserlaser Diode (Φ=200 @ 940 µm) nm 200 W, W @ Φ = 940 200 nmµm Fibre 1 at. % cristalline Yb:YAG Single 1 at.% crystal Yb:YAG fiber Φ = 1 mm, L L=40 = mm A.O.M Output Sortie @ 1030 nm @ A 20 khz et sous 130 W puissance de pompe : P moy ~ 22 W P crête = 55 kw Énergie = 1,1 mj Durée = 20 ns Au-delà de 130 W de puissance de pompe, le taux d extinction du l A.O.M limite 16

Laser Yb en régime déclenché T coupleur = 80% A 5 khz sous 150 W puissance de pompe : P moy ~ 9,5 W P crête = 138 kw Énergie = 1,8 mj Durée = 13 ns 1.00 Intensity (u.a.) 0.50 Δτ = 13 ns A basse cadence : Limitation due à la densité d énergie sur les traitements AR 0.00-30 -20-10 0 10 20 30 40 50 Durée (ns) D. Sangla et al., App. Phys. B, 97(2), p263-273, 2009 17

Vers des diamètres plus petits Miroir dichroïque R = -50 mm Coupleur de sortie R = -100 mm, T = 80 % Diode laser fibrée ( Φ = 200 µm) 200 W @ 940 nm Fibre cristalline L = 50 mm Φ = 400 µm Sortie P Max = 27 W sous 100 W de pompe Faisceau fortement multimode 18

Conclusion 1000 En régime continu Puissance laser (W) (log scale) 100 10 1 0.1 0.01 0.001 Burrus & Stone Nikolaev Digonnet Lo Tsetkov De camargo 1970 1980 1990 2000 2010 2020 Années Nos travaux : Fibres Nd Fibres Yb 19

Conclusion Des fibres cristallines de qualité laser dopées Nd et Yb avec 0,3 mm < Φ < 1,5 mm Performances lasers en Nd:YAG (33 W en continu et P moy = 4,5 W P crête = 375 kw 12 ns à 1 khz) Première démonstration laser en Yb:YAG et fonctionnement à haute puissance (65 W en continu et P moy = 9,5 W P crête = 138 Kw 13 ns à 5 khz) 20

Matériaux : - Autres dopants (Erbium) - Autres matrices (Yb:YSO, Yb:LuAG, Yb:CALGO) - Réduction diamètre (Φ < 1 mm) -Gaine non dopée Perspectives Systèmes : - Oscillateurs en régime ns Modulateur Electro Optique Fibres coupées à Brewster - Amplificateurs de fortes puissances (crête et moyenne) 21

Merci de votre attention 22

Caractérisations optiques Transmission Fibre cristalline Yb:YAG Faisceau sonde λ= 1064 nm Waist w 0 = 250 µm TEM oo Détecteur Transmission = 99 % avec traitement AR Guidage Fibre cristalline Yb:YAG Détecteur Diode laser couplée dans une fibre λ = 808 nm ON= 0.2 Doublet d imagerie Efficacité de guidage = 95 % (sans polissage additionnel du cylindre) 23

Filtrage par le gain Zone filtrante inexistante pour le laser Faisceau laser de faible diamètre Zone pompée e inutile au laser Zone pompée e utile au laser Zone pompée e inutile au laser Faisceau de pompe Diffraction Fibre cristalline Diffraction Faisceau laser de gros diamètre Zone pompée e utile au laser Diffraction Zone filtrante réabsorbante pour le laser Diffraction 24