eu OPOs OP-GaAs infrarouges . ppp µompés à 2 µm w C. Kieleck, …cmdo.cnrs.fr/IMG/pdf/Kieleck_OPO_OP-GaAs_pompes_par... · 2016-04-04 · eu w ww.isl OPOs OP-GaAs infrarouges

euw

ww

.isl.

OPOs OP-GaAs infrarouges pompés à 2 µm wp p µ

C. Kieleck, M. Eichhorn, A. Hildenbrand, G. Stöppler,Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis (ISL),

5 rue du Général Cassagnou, BP 70034, 68301 SAINT-LOUIS Cedex

[email protected]

E. Lallier, D. Faye, A. GrisardThales Research and Technology France (TRT), RD 128, gy ( ), ,

91767 Palaiseau Cedex

B. GerardAlcatel-Thales 3-5 Lab RD 128 91767 Palaiseau CedexAlcatel Thales 3 5 Lab, RD 128, 91767 Palaiseau Cedex

S.D. JacksonInstitute of Photonics and Optical Science, School of Physics, University of Sydney, NSW 2006

JNCO, Marseille, juillet 20111

INSTITUT FRANCO-ALLEMAND DE RECHERCHES DE SAINT-LOUIS© ISL 2010 - Tous droits réservés à l'ISL selon ISO 16016

Christelle Kieleck

eu

Plan

ww

w.is

l.

1 - Introduction w1 Introduction

2 - Pompage par Ho3+:YAGg

3 - Pompage par Tm3+,Ho3+:fibre

4 - Pompage par Tm3+:YAG

p g p ,

5 - Résumé et perspectives

p g p

5 Résumé et perspectives



Christelle Kieleck

eu

Plan

ww

w.is

l.





p g p ,


p g p




Christelle Kieleck

eu

Propriétés du OP-GaAs

ww

w.is

l.

coefficient non-linéaire élevé : deff= 66-110 pm/V (ZGP : deff=75±8 pm/V) w

GaAs : matériau isotrope GaAs en Quasi-Accord de Phase

Quasi-accord accord de

phase(2)(2) (2)Pompe

Pompenon convertie

Désaccord de phase

de phasep

A+χ(2)

-χ(2)-χ(2)

-χ(2)

+ χ(2)+ χ(2)

Lc

Pompesignal

complémentaire

de phase

Nombre de longueurs de cohérence parcourues0 2 4 6 Réseau de domaines de signes

de susceptibilité non linéaire alterné

+χ

conductivité thermique excellente 52 W/m°K (ZGP : 35 W/m°K )



Christelle Kieleck

eu

Propriétés du OP-GaAs

ww

w.is

l.

transparent de 0.9 à 17 µm (ZGP : 2 à 12 µm)

w

absorption à deux photons λpompe > 1.7 µm

Conversion efficace quelque soit la polarisation de l’onde pompe- K. L. Vodopyanov et al., Optics Letter, 29 (16), 2004- P Kuo et al Optics Letter 32 (18) 2007- P. Kuo et al., Optics Letter, 32, (18), 2007- C. Kieleck et al., Photonics West 2010, 7582-36

seuil de dommage élévé ∼ 1,5 à 2 J/cm², premiers tests en cavité OPO à l’ISL(ZGP ∼ 2 J/cm² K T Zawilski et al J Opt Soc Am B 23 2006)



Christelle Kieleck

(ZGP 2 J/cm , K. T. Zawilski et al., J. Opt. Soc. Am. B, 23, 2006)

eu

Les étapes de croissance, TRT

ww

w.is

l.

Deux étapes :1) Réalisation de réseaux de bandes inversées assurant la modulation périodique du χ² w

-χ(2)-χ(2)

-χ(2) Substrat germe GaAs à modulation périodiquedu coefficient non linéaire

+χ(2) du coefficient non-linéaire

∅ 50,8 mm,

Différentes possibilités de périodes de retournements

Vue de dessus du substrat-germe à technologie« tri-couches » avant l’étape d’épaississement



Christelle Kieleck

D. Faye et al., Photonics West 2008, (6875-15)

eu


ww

w.is

l.

Deux étapes :2) Réalisation des structures épaisses par croissance HVPE (Hybride Vapour Phase

E it ) w

-χ(2)-χ(2)

-χ(2)χ(2)χ(2) χ(2)HVPE

Epitaxy)

+χ(2)

+χ(2)

-χ( )-χ( )

-χ( )

+ χ(2)+ χ(2)

Substrat germe GaAs à modulation périodique

HVPE

modulation périodique du coefficient non-linéaire Structure épaisse GaAs à

Quasi-Accord de Phase

Structures épaisses jusqu’à 800 µm(maintien des domaines)

découpe de cristaux jusqu’à 40 mm de long

Vue de dessus du même substrat-germeaprès épaississement par HVPE

découpe de cristaux jusqu à 40 mm de long



Christelle Kieleck

D. Faye et al., Photonics West 2008, (6875-15)

eu


ww

w.is

l.w

Vue en coupe sur 20 mm, révélée chimiquementstructure homogèneg

zones orientations cristallographiques

non maintenues ∼3% longueur totalenon maintenues 3% longueur totale

pertes optiques @ 2.09 µm & BII <0.02 cm-1

A. Grisard et al., Paper Tu-PA1-045, ICPS 2008



Christelle Kieleck

, p ,D. Faye et al., Appl. Phys. Lett. 93, 151115 (2008)

euPlan

ww

w.is

l.





p g p ,


p g p




Christelle Kieleck

eu

Montage expérimental, OPOs IR pompés par Ho3+:YAG

ww

w.is

l.w

25 50 kHz220 50 kHz[n

s]

15

20

25

Y = 1 62+0 488 X

40 kHz 30 kHz 20 kHz

[W]

140160180200220 50 kHz

40 kHz 30 kHz 20 kHz

sion

FW

HM

[5

10Y =-1.62+0.488 X

P H

o

6080

100120140

urée

d'im

puls

106 ns83 ns66 ns

0 10 20 30 40 500

P Tm [W]8 10 12 14 16 18 20 22

40du

Pm oy Ho [W]

44 ns

Pompe Ho:YAG



Christelle Kieleck

eu

Montage expérimental, OPOs IR pompés par Ho3+:YAG

ww

w.is

l.w

émission : 2089.7 nm, Pmoy-Ho = 18 W, M²X, M²Y < 1.12

0 6

0.7

m]

diamètre X (µm)GaussianBeam fit of Data1_B

diamètre Y (µm)GaussianBeam fit of Data1_C

largeur à mi-hauteur : 0.35 nm

0 3

0.4

0.5

0.6

re fa

isce

au [µ

ensi

té (u

.a.)

0.35 nmPompe

0.1

0.2

0.3

diam

ètr

2089.0 2089.5 2090.0 2090.5

inte

l d' d ( )

Ho:YAG



Christelle Kieleck

10 20 30 40 50distance [mm]

longueur d'onde (nm)

eu

Comparaison OPO ZGP et OP-GaAs

ww

w.is

l.w

pompe

pompeOPO

d t il lité dp pdépeuplée rendements, seuils, qualités de

faisceaux et seuils de dommagecomparables avec les deux cristaux (ZGP et OP-GaAs) pour

pompepompedépeuplée

OPO

cristaux (ZGP et OP GaAs) pour une configuration de pompe similaire



Christelle Kieleck

C. Kieleck et al., Optics Letter, 34, (3), 2009

eu

7.7 W moyens dans l’infrarouge à 100 kHz

ww

w.is

l.w

M² < 1.8 , (40 kHz, 2.4 W OPO)Dommages optiques (1.5 à 1.9 J/cm²)



Christelle Kieleck

A. Hildenbrand et al., JNCO 2011, optique2011 – poster 117

euPlan

ww

w.is

l.





p g p ,


p g p




Christelle Kieleck

eu

Montage expérimental

ww

w.is

l.w

fibre en silice codopée Tm,Ho double clad (OFTC Sydney, Australia), 4 m de long 10:1 (Tm:Ho)∼ 4 m de long 10:1 (Tm:Ho)

20 µm de diamètre de cœur légèrement multimodeouverture numérique : 0.2 n’est pas à maintien de polarisation

S O ( )



Christelle Kieleck

M. Eichhorn, S.D. Jackson, Opt. Lett. 33, no. 10, 1044 (2008)

eu

Laser à fibre silice codopée Tm3+,Ho3+, déclenché

ww

w.is

l.2 raiesd’approximativement 0.5 nm FWHM ensemble,centrées autour de 2098.2 nm, wcentrées autour de 2098.2 nm,efficaces dans le processus de conversion non linéaire(acceptance spectrale 3.1 nm)

Cadence de répétition [kHz]

40 50 60 75

Durée d’impulsion [ns ]

49 89 103 105

- fibre légèrement multimode- recombinaison des deux faisceaux séparés pour

l’isolation optique non optimale



Christelle Kieleck

eu

OPO OP-GaAs pompé par laser à fibre silice:Tm3+,Ho3+

ww

w.is

l.w

OP-GaAs : longueur 20 mm, épaisseur ~ 500 µm

diamètre de pompe : ~ 200 µmdiamètre de pompe : 200 µmOPO : simple passage de pompe,

doublement résonantplan-plan



Christelle Kieleck

C. Kieleck et al., Photonics West 2010, 7582-36

eu

OPO OP-GaAs pompé par laser à fibre Tm3+,Ho3+:silice

ww

w.is

l.w

OP-GaAs : longueur 20 mm, épaisseur ~ 500 µm

diamètre de pompe : ~ 200 µmOPO : simple passage de pompe,

doublement résonantplan-rcc50 mm



Christelle Kieleck

euPlan

ww

w.is

l.





p g p ,


p g p




Christelle Kieleck

eu

ObjectifsFP7/2007 2011 d t t ° 224042

ww

w.is

l.FP7/2007-2011 under grant agreement n° 224042

w

• 6 45 µm et 6 1 µm : profondeur de pénétration dans les tissus de quelques microns• 6.45 µm et 6.1 µm : profondeur de pénétration dans les tissus de quelques microns

dimensions comparables à des dimensions cellulaires

limite les dommages collatéraux; ablations de tissus de manière non invasive.

• Premières démonstrations réalisées par un FEL (Free Electron Laser).

• Système de dimensions réalistes pour un établissement de santé.



Christelle Kieleck

y p

eu

Montage expérimental

ww

w.is

l.

OPO OP-GaAs• Cristal OP-GaAs : - périodes 66 et 64.8 µm, wp µ ,

- épaisseur 800 µm- longueur 20 mm

• Diamètre pompe : ∼ 300 µmOP-GaAsIsolateur optiqueλ/2

• Cavité : - simple passage pompe

- simplement résonanteICOC

Lame de

Laser Tm3+:YAG

Lame deBrewster

Cellules électro-optiques

étalonM2

λ/2

• Diodes : 2 × 20 W , 785 nm• Cristal Tm3+:YAG : - longueur 25 mm

- diamètre 3 mm- 2%

Lame de Brewsterλ/4

∅ 400 µm2%

• Diamètre de pompe 800 µm

• Déclenchement électro-optiquediode diode

Tm3+:YAGM1

M. Eichhorn, et al., CLEO 2009, CWH2



Christelle Kieleck

M. Eichhorn, et al., CLEO 2009, CWH2

eu

Laser Tm3+:YAG

ww

w.is

l.

émission : 2012.65 nm,largeur à mi-hauteur : 0.19 nm w

étalonM2

Lame de Brewster

Cellules électro-optiquesλ/4

étalonλ/2

100 Hz

di d di dTm3+:YAG

M

∅ 400 µmΔt 130 ns



Christelle Kieleck

diode diodeM1

eu

OPO OP-GaAs pompé par Laser Tm3+:YAG

ww

w.is

l.

8,4 mW (84 µJ) pour 75 mW w8,4 mW (84 µJ) pour 75 mWde pompe à 100 Hz



Christelle Kieleck

euPlan

ww

w.is

l.





p g p ,


p g p




Christelle Kieleck

eu

OPO OP-GaAs pompé par Ho3+:YAG, résumé

ww

w.is

l.

Démonstration à l’ISL et chez BAE Systems de performances similaires avecZGP et OP-GaAs

Pompage par Ho3+:YAG w

signalPompe

p g p

signalcomplémentaire

• À 100 kHz, Psignal+complémentaire = 7.7 W (77 µJ) , Rendement optique-optique de 34%

• L’émission se fait entre 3 et 5 µm et la longueur d’onde émise peut être modifier engérant la température du cristal ou en modifiant la longueur d’onde de pompe.

• La mesure de la qualité des faisceaux émis donne des facteur M² < 1.8 pour 2.4 Wmoyens à 40 kHzmoyens à 40 kHz

• Les performances ont été limitées par l’épaisseur cristal : 450 µm



Christelle Kieleck

eu

OPO OP-GaAs pompé par laser à fibre Tm3+,Ho3+:silice, résumé et perspectives

ww

w.is

l.

Première démonstration- à 40 kHz, 2.2 W en bande II (55.4 µJ) pour 9.1 W (227 µJ) de pompe

à 60 kHz 1 9 W en bande II (40 µJ) pour 11 7 W (189 µJ) de pompe w- à 60 kHz, 1.9 W en bande II (40 µJ) pour 11.7 W (189 µJ) de pompe- à 75 kHz, 1.28 W en bande II (17 µJ) pour 11.2 W (151 µJ) de pompe

Limitation par la puissance de pompe

Fibres prototypes dont certaines caractéristiques ont limité les performancesd i d ( 10 d t )des essais non monomodes (∼ 10 modes peuvent se propager)

pas à maintien de polarisation (isolation optique complexe etfaisceaux recombinés pour le pompage des OPOs)

Développement de fibres- développement de fibres monomodes

développement de fibres à maintien de polarisation- développement de fibres à maintien de polarisation

Développement du OP-GaAs- augmentation de l’épaisseur



Christelle Kieleck

g p

eu

OPO OP-GaAs pompé par Tm3+:YAG, résumé et perspectives

ww

w.is

l.

P iè dé t ti wPremière démonstration

- A 100 Hz, 8.4 mW (84 µJ) pour 75 mW (750 µJ) de pompe- Émission à 2,90 µm + 6,54 µm

Poursuite des travaux

- Augmenter le diamètre de pompe > 300 µm 600 µm



Christelle Kieleck

eu

Remerciements

ww

w.is

l.

DGA (contrat 008 92 0909 03 00 00 00)

w

European Community’s Seventh Framework Programme FP7/2007-2011under grant agreement n° 224042, MIRSURG

Thalès TRT et Alcatel 3-5 lab : D. Faye, E. Lallier A. Grisard et B. Gerard

Institute of Photonics and Optical Science Sydney : S JacksonInstitute of Photonics and Optical Science, Sydney : S. Jackson

ISL : M. Eichhorn, A. Hildenbrand et G. StöpplerJ Urban M Christen et atelier central (réalisation mécanique)J. Urban, M. Christen et atelier central (réalisation mécanique)

Merci pour votre attentionMerci pour votre attention

Questions?



Christelle Kieleck

Documents

eu OPOs OP-GaAs infrarouges . ppp µompés à 2 µm w C. Kieleck, …cmdo.cnrs.fr/IMG/pdf/Kieleck_OPO_OP-GaAs_pompes_par... · 2016-04-04 · eu w ww.isl OPOs OP-GaAs infrarouges