Cristaux dopCristaux dopéés Prass Prasééodyme pour odyme pour éémission laser dans le domaine visiblemission laser dans le domaine visible
CIRIL-MIL, Caen : Patrice Camy, J.L. Doualan, S. Cheffah, M. Velazquez,A. Benayad, R. Moncorgé.
ENSCP-LCMCP, Paris : P. Goldner, O.Guillot-Noël, G. Dantelle, M. Mortier
LAC, Orsay : T.H. My , F. Bretenaker
PHILIPS Technologie, Aachen, Allemagne : J. Bengoechea, U. Weichman
JNCO, GRENOBLE, Juillet 2007
Plan de lPlan de l’’exposexposéé
1. Contexte et motivations- Sources laser stabilisées pour l’information
quantique- Sources RVB pour la vidéo-projection
2. Différents Ions et schémas d’excitation envisagés- Avalanche- Pompage direct
3. Résultats- Spectroscopie- Fonctionnement laser
4. Conclusions et perspectives
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Plan de lPlan de l’’exposexposéé
1. Contexte et motivations- Sources laser stabilisées pour l’information
quantique- Sources RVB pour la vidéo-projection
2. Différents Ions et schémas d’excitation envisagés- Avalanche- Pompage direct
3. Résultats- Spectroscopie- Fonctionnement laser
4. Conclusions et perspectives
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Spectroscopie Spectroscopie àà haute rhaute réésolution poursolution pourll’’information quantiqueinformation quantique
Système à deux niveaux
- Un niveau 1 bit 0 ou 1- Superposition d’états : pas d’équivalent
en physique classique- Système à deux niveaux = Quantum Bit ou QuBit
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Prérequis :
- Transitions avec de longs temps de cohérencefaible largeurs homogènes
- Sources de très hautes cohérence
Résultats récents
Calcul quantique mémoire quantique- Two-qubit logical gate - Line Stopped for more than one secondJ.J. Longdell et al. PRL (2004) J.J. Longdell et al. PRL (2005)
- Single qubit arbitrary state preparationL. Rippe et al to be published (2007)
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Ces résultats ont été obtenus avec Y2SiO5:Pr3+
Caractéristiques de YSO:Pr
- Absorption à 605,977 nm- Largeur inhomogène 5GHz- Faible largeur homogène (2kHz)
Sources laser disponibles
-Lasers à colorant- Commercialisés (1MHz-100 kHz)- Ultra stables (<1kHz)
Systèmes à colorants Ultra Stables…mais complexes
(Lund University, Quantum information Group, Pr. S. Kröll, L. Rippe)
• Lasers solides compacts plus aisés à stabiliser
• Microchips ou fibres courte dopés Terre Rare :
stabilité < 1 kHz
Source centrée autour de 606 nm à partir d’un cristal dopé terre rare ?
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Plan de lPlan de l’’exposexposéé
1. Contexte et motivations- Sources laser stabilisées pour l’information
quantique- Sources RVB pour la vidéo-projection
2. Différents Ions et schémas d’excitation envisagés- Avalanche- Pompage direct
3. Résultats- Spectroscopie- Fonctionnement laser
4. Conclusions et perspectives
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VIDEOPROJECTIONVIDEOPROJECTION
Sur de très grandes dimensions…
…ou en miniature
SONY: 50m x 10m Laser DreamTheater à l’expo2005, Aichi, Japan
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Approx. 200 mW/couleur
Rouge : 615 - 645 nmVert : 520 - 550 nmBleu : 435 – 465 nm
Lasers Rouge Vert et Bleu requis
Vidéoprojecteur intégrédans un téléphone mobile
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G. Derra et al 2005J. Phys. D: Appl. Phys. 38
Lampe UHP
Pas de diodes laser fiables dans le vert !
Les lasers solides dopés terres rares sont de bons candidats
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Plan de lPlan de l’’exposexposéé
1. Contexte et motivations- Sources laser stabilisées pour l’information
quantique- Sources RVB pour la vidéo-projection
2. Différents ions et schémas d’excitation envisagés- Avalanche (Yb3+:Pr3+)- Pompage direct (Yb3+)
3. Résultats- Spectroscopie- Fonctionnement laser
4. Conclusions et perspectives
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Transitions de lTransitions de l’’ion Prasion Prasééodyme dans le domaine visibleodyme dans le domaine visible
Energies de phonons relativement basses
nécessairesFluorures
3P0
3P23P1,1I6
1D2
1G4
3F4 3F3
3F2 3H6
3H5
3H4
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• Transitions dans le visible depuis les niveaux 3P1-3P0
• Rouge ( 3F2)
• Orange ( 3H6)
• Vert ( 3H5)
• Bleu ( 3H4)
Avalanche de photon dans les matAvalanche de photon dans les matéériaux dopriaux dopéés Prs Pr3+3+
J.S. Chivian, W.E. Case, D.D. Eden, Apl. Phys. Lett. 35, 1979
• Pompage sur la transition 2-3(non résonnant avec 1-2)
• Transferts d’énergie
• Emission 3-1
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Osiac et al Opt. Lett. 2004 Avalanche dans Yb:Pr:BaY2F8
27 % de rendement à 607 nm
Pompage par Pompage par upconversionupconversion dans Ybdans Yb3+3+:Pr:Pr3+3+
• Processus non linéaire • Seuil relativement élevé• Equivalent à un 4 niveaux une fois amorcé
Ph. Goldner et al EPJ-AP, 2007JNCO, GRENOBLE, Juillet 2007
- (faible) Absorption 4 5
- Transfert 5-4 1-2
- Absorption (efficace) 2 3
- Back-transfert 3-2 4-5
Mécanisme d’avalanche de photon
PompagePompage direct direct dansdans le bleu le bleu autourautour de 440 nmde 440 nm
Diode Bleue Nichia Corporation
(S. Nakamura 1996)
- A base de GaN
- Bonne qualité de faisceau (M2 proche de 1 après remise en forme)
- 50 mW disponible (06/2006)
- Puissance de 500 mW aujourd’hui accessible (06/2007)
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0
4
8
12
16
20
Energy (cm-1)
3H4
3H5
3H6
3F2
3F3,3F4
1G4
1D2
3P03P1
3P2 1I6
Diode≈445 nm
1D2
Laser
Plan de lPlan de l’’exposexposéé
1. Contexte et motivations- Sources laser stabilisées pour l’information
quantique- Sources RVB pour la vidéo-projection
2. Différents schémas d’excitation envisagés- Avalanche- Pompage direct
3. Résultats- Spectroscopie- Fonctionnement laser
4. Conclusions et perspectives
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MatMatéériaux dopriaux dopéés Prs Pr3+3+ éétuditudiééss
9 x 10-20 cm2
605,3 nm60 / 72 / 54 0.243.92, 1.78, 7.941.8 x 10-20 cm2
441.8 nmKYF4 :0.5%Pr
2.3 x 10-20 cm2
608 nm45 / 56 / 450.281.15, 3.60, 100.7 x 10-20 cm2
443 nmCaF2 :
2.8%Pr
2.7 x 10-19 cm2
610.1 nm31 / 28 / 210.221.66, 9.95, 198.4 x 10-20 cm2
446 nmKY3F10 :0.4%Pr
1.25 x 10-19 cm2
607 nm (E//b)
50/77/490.100.18, 4.45, 3.313.7 x 10-20 cm2
444.5 nm (E//b)BaY2F8 :0.1%Pr
2.8 x 10-19 cm2
604.2 nm (E//c)50 / 53 / 370.153.45, 3.94, 6.138 x 10-20 cm2
443.4 nm (E//c)LiYF4 :
0.26%Pr
3P0→3H6
max emission cross-section and wavelength
3P0 Fluorescence/Effective/
Intrinsic radiativelifetimes (µs)
tF / teff / tint
3P0→3H6
red emissionbranching ratio
Judd-OfeltParametersΩ2, Ω4, Ω6(10-20 cm2)
3H4→3P2
max absorption cross-section and wavelength
Studiedcrystals
+ PbF2, Bande d’émission intéressante centrée à 606.18 nm
Sections efficaces les plus favorables Non loin de la raie de YSO605.977 nm
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S. Khiari et al, J. of All. and Compounds, 2007
KYKY33FF1010:Pr:Pr3+ 3+ -- EmissionEmission
580 600 620 640 6600,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,143P1,
3P0->3F2
3P0->3H6
KY3F10:Pr3+
Wavelength (nm)
Emis
sion
(arb
. uni
t)
610 nm
644.5 nm
Cristal isotrope
KYKY33FF1010:Pr:Pr3+3+
430 440 450 460 470 480 4900,0
2,0x10-20
4,0x10-20
6,0x10-20
8,0x10-20
1,0x10-19
3H4-3P2
3H4-3P1,
1I6
Wavelength(nm)
cros
s se
ctio
n (c
m2 )
3H4-3P0
446 nm (DL)
476.5 nm (Ar)
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476.5 nm : absorption < 6 % sur 3 mm de cristal
KYKY33FF1010:Pr:Pr3+ 3+ -- AbsorptionAbsorption
0 50 100 150 200 250 3000
10
20
30
40
Puissance absorbée (mW)
Pui
ssan
ce L
aser
(mW
)KYKY33FF1010:Pr:Pr3+ 3+ -- RRéésultats laser en pompage directsultats laser en pompage direct
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T=2.5 %
T=0.2 %
T=0.2 %
P. Camy et al Opt. Lett. (11), 2007
Cavité plan-concave
- Rout= 50mm- Longueur Cristal = 4.1 mm- Dopage : 0.4% Pr3+
- Poli faces //- Non traité AR- 60 % absorbés à 446 nm
λlaser = 644.5 nm
λpompe = 446 nm
KYKY33FF1010:Pr:Pr3+ 3+ -- RRéésultats lasersultats laser
Performances en pompage Diode GaN :
- λlaser = 644.5 nm, Pseuil =125 mW
- Puissance de sortie max dans le rouge : 39.4 mW
- Rendement (/ Pabs) = 23 %
- faible sensibilité aux fluctuations thermique sur la DL bleue
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436 438 440 442 444 446 448 450 452 4540,0
2,0x10-20
4,0x10-20
6,0x10-20
8,0x10-20
1,0x10-19
3H4-3P2
W avelength(nm)
cros
s se
ctio
n (c
m2 )
Brevet conjoint Ciril-Philipsdéposé (01/2007)
3 nm
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PbFPbF22:Pr:Pr3+ 3+ -- un bon candidat pour lun bon candidat pour l’’avalanche de photon ?avalanche de photon ?
- Pic centré à 606.18 nm- Absorption à 856 nm en régime d’avalanche- Basse énergie de phonons
Plan de lPlan de l’’exposexposéé
1. Contexte et motivations- Sources laser stabilisées pour l’information
quantique- Sources RVB pour la vidéo-projection
2. Différents schémas d’excitation envisagés- Avalanche- Pompage direct
3. Résultats- Spectroscopie- Fonctionnement laser
4. Conclusions et perspectives
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Laser rouge (644.5 nm) KY3F10Pompage Diode Bleue 446 nmCIRIL, Philips Aachen 12/2006
Laser orange (607 nm) BaY2F8Pompage par avalanche de photons Ti:Sa 850 nmENSCP 25/06/2007
Laser orange (604.5 nm) LiLuF4Pompage Laser Ar 476.5 nmCIRIL, Caen 18/06/2006
LasersLasers visiblesvisibles PrPr3+3+ : derniers r: derniers réésultats !sultats !
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ConclusionsConclusions
Lasers solides dopés Pr3+ :
- Alternative aux lasers à colorants pour l’info Quantique dans YSO:Pr
- Solution pour obtenir du RVB pour la projection
Cristaux de fluorures :
- KY3F10:Pr meilleur compromis pour le RVB
- PbF2 – KYF4 bon candidats pour le 606 nm
Recherche et étude de nouveaux matériauxdopés Pr3+ ou Er3+ pour émission dans le vert et le rouge
Fabrication de cristaux massifs et mini-lasers pompés par diodes pour émission dans le vertet autour de 606 nm
Fabrication de couches minces par épitaxieen phase liquide (LPE, transfert de techno. du LETI/CEA)et microlaser guides d’onde ou thin disk pompés par diodes
PerspectivesPerspectives
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Projet ANR avec LVC à Rennes, LdOF au Mans, ENSCP à Paris(en cours d’examen)
Laser rouge (644.5 nm) KY3F10Pompage Diode Bleue 446 nmCIRIL, Philips Aachen 12/2006
Laser orange (607 nm) BaY2F8Pompage par avalanche de photons Ti:Sa 850 nmENSCP 25/06/2007
Laser orange (604.5 nm) LiLuF4Pompage Laser Ar 476.5 nmCIRIL, Caen 18/06/2006
Merci pour votre attentionMerci pour votre attention
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