Caractérisations de fibres monocristallines YAG dopées

CaractCaractéérisations de fibres monocristallines YAG doprisations de fibres monocristallines YAG dopéées Yb produites par microes Yb produites par micro--pullingpulling--down (down (µµPD) pour applications lasersPD) pour applications lasers N.AubryN.Aubry -- 2009 2009

Nicolas AUBRYNicolas AUBRY 1,21,2

Julien Didierjean, Didier Perrodin, Jean-Marie Fourmigué1Fibercryst, Lyon, France

Kheirreddine Lebbou, Alain Brenier, Olivier Tillement, Cédric Mancini2Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents, Lyon, France

Damien Sangla, Igor Martial, François Balembois, Patrick GeorgesLaboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique, Palaiseau, France

Caractaractéérisations de fibres monocristallines YAG doprisations de fibres monocristallines YAG dopééeses

YbYbproduites par microproduites par micro--pullingpulling--down (down (µµPD)PD)

pour applications laserpour applications laser

"Elaboration et caractérisation de fibres monocristallinespour application aux lasers impulsionnels de puissance "

Sujet de thèse :

- 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)

Création d’une ANR Yb:YAG


1. Présentation

Concept LaserConcept Laser


Pompe en propagation

libreSignal laser en

propagation libre

Cristal

1 cm

Signal guidé

Pompe guidée

100-10000 cm

Fibre optique

Laser Laser àà cristal massifcristal massif Laser Laser àà fibre optiquefibre optiqueDiam. 5-20 µm

Deux concepts différents :

2. Concept Laser

•• Impulsion de forte puissance Impulsion de forte puissance crêtecrête

•• Section Section efficaceefficace dd’é’émissionmission éélevlevééee

•• Haute Haute conductivitconductivitéé thermiquethermique

•• MauvaiseMauvaise gestiongestion thermiquethermique

•• Puissance Puissance limitlimitééee en en continucontinu ((cwcw))

•• Forte puissance en Forte puissance en continucontinu ((cwcw))

•• TrTrèèss bonnebonne qualitqualitéé du du faisceaufaisceau

•• Bonne gestion thermiqueBonne gestion thermique

••FaibleFaible section section efficaceefficace dd’é’émissionmission•• EffetsEffets nonnon--linlinééairesaires àà fortes fortes puissancespuissances crêtescrêtes


Signal en propagation

librePompe guidée

Matrice cristalline

Brevet n° 0550900 (CNRS/Fibercryst)Répartition thermique

Evite les effets non-linéaires

Diam. 0.4 Diam. 0.4 -- 11 mmmmLongueur ~ 4 Longueur ~ 4 -- 10 cm10 cm

2. Concept Laser

Un système hybride !

Kc, σe Gestion thermique


Pompe en propagation

libreSignal laser en

propagation libre

Cristal

1 cm

Signal guidé

Pompe guidée

100-10000 cm

Fibre optique

Laser Laser àà cristal massifcristal massif Laser Laser àà fibre optiquefibre optiqueDiam. 5-20 µm


La mLa mééthode microthode micro--pullingpulling--down (down (µµPD)PD)

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

• LN, Calgo, BGO…

Yb:YAG Nd:YAG

Tube Øint400µm

Ce:LuAGØ400µm

3. La méthode micro-pulling-down


3. La méthode micro-pulling-down


Machine de tirage Fibercryst Schéma de principe µPD

Etat stationnaire et connexion

Matériau et dimensionnement


4. Matériau et dimensionnement

2F7/2

2F5/2

1030 nm940 nm

De l’Ytterbium Yb3+ comme ion dopant• Structure électronique simple

Pas d’effets parasites

• Petit défaut quantique

Faible charge thermique

• Quasi-3 niveaux

Une matrice YAG (Y3Al5O12)• Bonnes propriétés thermiques

• Croissance aisée

• Déjà démontré comme un milieu laser effectif 1

1Sangla, 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. 2008. San Jose, CA, USA: SPIE


Croissance des fibres Croissance des fibres YAG:YbYAG:Yb


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

Fibres YAG

5. Croissance de fibres cristallines YAG:Yb


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

<111><100>

Deux axes de cristallisation

Dans cette étudeCaractCaractéérisations de fibres monocristallines YAG doprisations de fibres monocristallines YAG dopéées Yb produites par microes Yb produites par micro--pullingpulling--down (down (µµPD) pour applications lasersPD) pour applications lasers N.AubryN.Aubry -- 2009 2009

CaractCaractéérisationsrisations


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


Spectre d’émission du YAG:Yb 0,3 %at.

Transition Yb3+ :

²F7/2 ²F5/2

Temps de vie : 1,06 ms


6.2. Etude de la ségrégationRépartition longitudinale de l’ionYb3+

• Répartition homogène de l’ion Yb

• Coefficient de ségregation de 1 ±0.1

K = Ctop/C0


• Mesures d’absorption à 969 nm

• Concentration moyenne d’échantillons de 5 cm de long


6.2. Etude de la ségrégationRépartition radiale de l’ion Yb3+

Répartition des ions Yb3+ obtenue par micro-luminescence à 480 nmFigures obtenues à NanOptec (Lyon) avec la collaboration de C.Mancini et C. Dujardin

224 nm 480 nm

Répartition radiale homogène des ions Yb

Pas de ségrégation observée

Coefficient de ségregation de l’Yb dans le YAG de 1 (+/- 0,1)



6.3. Qualité de surface

70 nm RMS50 nm RMS

Rugosité

400 µm1 mm

Ø

• Mesures de rugosité

• Méthode d’interférométrie en lumière blanche

RMS = Root Mean Square

< λ/15 !! (à 940 nm)

Très faible rugosité



6.4. Caractérisations optiques – qualité cristalline

95 %94 %GuidageN.C.99 %Transmission

0.4 mm Ø1 mm Ø

Qualité cristalline interne

Qualité cristalline générale

(interne + surface)

Très bonne qualitécristalline



6.4. Caractérisations optiques - dépolarisation

YAG matériau isotropique

Dépolarisation due aux variations d’indice

Détection de défauts anisotropiques ou de contraintes

Tmin = 4.8 % at 90°

Tmax = 95.9 % at 0°

D = Tmin/Tmax = 5 % (±0.5%)

Faible dépolarisation



6.4. Caractérisations optiques – profil du faisceau

a)

b)

Profil d’intensité d’un faisceau laser λ = 633 nma) 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

Bonne préservation du profil du faisceau

QUALITE QUALITE LASERLASER


OpOpéération Laserration Laser


7. Opération Laser

RRéégime continugime continu

Puissance de sortie :

65 W sous 190 W

de pompe !!

ØØ 1 mm :1 mm :Pente dPente d’’efficacitefficacitéé 47 %47 %

MM²² = 2,5= 2,5

ØØ 0,4 mm0,4 mm ::Pente dPente d’’efficacitefficacitéé 38 %38 %

MM²² > 10> 10

0

5

10

15

20

25

30

0 20 40 60 80 100 120Incident pump power @940nm [W]

Lase

r pow

er @

1030

nm

[W]

µPD Yb:YAG singlecrystal fiber(diameter 400µm)

Pente d’efficacité : 47 %

Pente d’efficacité : 38 %

Ø 1 mm

Ø 0,4 mm


7. Opération Laser

RRéégime dgime dééclenchclenchéé

ØØ 1mm :1mm :

PPmoyennemoyenne = 9 W= 9 WTaux de rTaux de rééppéétition = 5 kHztition = 5 kHz

DurDuréée des impulsions = 13 nse des impulsions = 13 ns

Energie = 1.8 Energie = 1.8 mJmJPPcrêtecrête = 138 kW= 138 kW


I. Martial « Lasers à fibres cristallines dopées Nd et Yb : point sur les avancées récentes » - JNCO - Vendredi 4 décembre

ConclusionConclusion


8. Conclusion

Des fibres monocristallines YAG:Yb de haute qualité cristalline

Des puissances lasers en régime continu élevées• Ø 1 mm

- 65 W @ 1031 nm pour 190 W de pompe- M² = 2,5

• Ø 0.4 mm- 25 W @ 1031 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, 2009. 311(23-24): p. 4805-4811.

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


Documents

Caractérisations de fibres monocristallines YAG dopées