laser dans le domaine visible à base de fluorures...

Laser dans le domaine visible Laser dans le domaine visible àà base de base de fluorures dopfluorures dopéés terres raress terres rares

P. P. CamyCamy,, A. A. BenayadBenayad, J.L. , J.L. DoualanDoualan, R. , R. MoncorgMoncorgééCCentre de recherche sur les entre de recherche sur les IIons, les ons, les MMatatéériaux et la riaux et la PPhotonique (hotonique (CIMAPCIMAP))

Groupe Groupe «« MMatatéériaux et riaux et IInstrumentaionnstrumentaion LLaseraser »» ((MIL)MIL)UMR 6252 CEAUMR 6252 CEA--CNRSCNRS--ENSI Caen, UniversitENSI Caen, Universitéé de Caen, de Caen,

6 Boulevard Mar6 Boulevard Marééchal Juin, 14050 Caen Cedexchal Juin, 14050 Caen [email protected]@ensicaen.fr

Journées CMDO+, Laser Visible-UVOrsay novembre 2008

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Journées CMDO+, Laser Visibles-UV Novembre 2008

CIMAP = CIRIL + SIFCOM (depuis janvier 2008)CIMAP = CIRIL + SIFCOM (depuis janvier 2008)

2 sites 3 grandes activités

75 permanents

2

• DYME (Dynamique de la Matière Excitée)

• MADIS (Matériaux, Défauts, Irradiations et Simulations)

• LAMPE (Lasers et Matériaux pourla Photonique et l’Electronique)

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Moyens humains- 4 (+0,5) enseignants et chercheurs: A. Braud (MCF), P. Camy

(MCF), J.L. Doualan (CR), J. Margerie (PE), R. Moncorgé (PR)- 1 ingénieur (croissance cristalline): A. Benayad

- 2/3 technicien (orientation, découpe, polissage): V. Ménard

- 2x1/3 techniciens (électronique: F. Porée), (mécanique: Ph. Leprince) - Doctorants: S. Renard (MEN, 2005), C. Budasca (Roumanie, 2005),

S. Khiari (AUF, 2006), V. Petit (MEN, 2006), L. Bodiou (CEA, 2007), A. Ferrier (DGA, 2007), S. Cheffah (CEA/région, 2010), R. Soulard (DGA/CNRS, 2010), B. Xu (Chine, 2011)

- Post-doctorants: M. Wojdak (2004, 1 an), P. Nagtegaele (2005, 6 mois), O. Eremeykin (2006, 3 mois), A. Ferrier (2008, 7 mois)

Equipe Matériaux et Instrumentation Laser (MIL)http://cimap.ensicaen.fr/


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Objectifs et moyens :

- Fabrication de cristaux massifs et couches minces micro-nano structurés→ fluorures, chlorures ou bromures, donc des matériaux à très

basses énergies de phonon, dopés par des ions de terres rares ou des ions de transition du groupe du fer

→ Bridgman, Czochralski, LPE- Optique et Spectroscopie expérimentale et Théorique

→ relations entre structures et propriétés optiques des matériaux→ techniques optiques et spectroscopiques diverses:

• fluorescence résolue en temps suite à une excitation laser sélective à l’échelle de la nano- et de la pico-seconde• absorption dans les états excités des ions à l’aide de techniques pompe-sonde utilisant des lasers continus ou des lasers et lampes flash à fonctionnement impulsionnel, etc…

- Dispositifs laser et électroluminescents→ tests de nouveaux matériaux, construction de démonstrateurs→ Cavités et systèmes de pompage optiques, miroirs lasers pour

expérimentations de 200 nm à 5 µmJournées CMDO+, Laser Visibles-UV Novembre 2008

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Laser visibles Laser visibles àà base de fluorures dopbase de fluorures dopéés terres raress terres rares

• Motivations

• Lasers visibles : fluorures dopés TR3+ ???

• Résultats sur cristaux dopés Pr3+

• Techniques de fabrication

• Conclusions et perspectives


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Objectifs - Motivations

• Sources laser Rouge Vert Bleu (RVVB) compactes

(Eclairage, projection…)

• Source orange pour l’information quantique


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Sources lasers RGGB pour la VidéoprojectionSur de très grandes dimensions …

… ou en miniature

SONY: 50m x 10m Laser DreamTheater at the 2005 exhibition, 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

G. Derra et al 2005J. Phys. D: Appl. Phys. 38

Lampe UHP


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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 système classique- Superposition d’états : pas d’équivalent

en physique classique- Système à deux niveaux = Quantum Bit ou QuBit

Prérequis :

- Transitions avec de longs temps de cohérencefaible largeurs homogènes

- Sources de très haute cohérence


Pour maintenir un état de superposition

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Les résultats récents ont étéobtenus pour la plupart

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)

information quantiqueinformation quantique


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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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• Motivations






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Lasers visibles : pourquoi les fluorures dopés TR3+ ?

Lasers CW émettant dans le domaine visible

• Lasers à gaz : Argon, Helium-néon, Krypton, Hélium-cadmium…

• Lasers à colorants • laser à base d’effets non linéaires, doublage sur

cristaux et verres dopés Néodyme (1986 Spectra-Physics), OPO

• Diodes laser• Infrarouges directement doublées en fréquence

(faible efficacité…)• Bleu (III-V, GaN…)• Rouge (III-V, AlGa-InP…)• Vert (II-VI, ZnS, ZnSe…, III-V, InN-GaN…)

Encombrement,

Complexité, coût…


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Pas de diodes laser fiables dans le vert


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Terres rares : émissions dans le domaine visible


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Energy (cm-1)

3H4

3H5

3H6

3F2

3F3,3F4

1G4

1D2

3P03P1

3P2 1I6Fluorures dopés Pr3+

• Transitions dans le vert, le rouge, le orange

•Energies de phonons

relativement basses…

• Fabrication bien maîtrisée

Praséodyme• Rouge (→ 3F2)•• Vert (Vert (→→ 33HH55))• Bleu (→ 3H4)


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UpconversionDiode 850 nm

Pompage directDiode bleue


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PompagePompage direct direct dansdans le bleu le bleu autourautour de 440 nmde 440 nmDiode Bleue Nichia Corporation

(S. Nakamura 1996)

- A base de GaN

- Bonne qualité de faisceau (M2 proche de 1 après remise en forme)

- 500 mW disponible (10/2008)

- Puissance de 1 W aujourd’hui accessible (source Philips) ?

0

4

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12

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20

Energy (cm-1)

3H4

3H5

3H6

3F2

3F3,3F4

1G4

1D2

3P03P1

3P2 1I6

Diode≈445 nm

Laser


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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

Osiac et al Opt. Lett. 2004 Avalanche dans Yb:Pr:BaY2F8

27 % de rendement à 607 nm


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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, 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


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• Motivations






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MatMatéériaux dopriaux dopéés Prs Pr3+3+ éétuditudiééss

9 x 10-20 cm2

605,3 nm

60 / 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 favorablesNon loin de la raie de YSO

605.977 nm

S. Khiari et al, J. of All. and Compounds, 2007


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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


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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)

476.5 nm : absorption < 6 % sur 3 mm de cristal

KYKY33FF1010:Pr:Pr3+ 3+ -- AbsorptionAbsorption


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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

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


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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

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

Wavelength(nm)

cros

s se

ctio

n (c

m2 )

Brevet CIMAP-Philips 3 nm


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Quelques uns des problèmes rencontrés :

• Le pompage direct du Praséodyme


430 440 450 460 470 480 4900,0

2,0x10-20

4,0x10-20

6,0x10-20

8,0x10-20

1,0x10-19

1,2x10-19

1,4x10-19 KY3F10

LiYF4

Sec

tion

effic

ace

(cm

2 )

Longueur d'onde (nm)

DL Bleue 443 ou 446 nm

1 diode par matériau testé

496.5, 488, ou 476.5 nm

Laser à Argon

Verdi+Mira+doubleur…

Quelques centaines de mW de bleu légèrement accordable

446 nm443.4 nm

Ce

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Recherche matériaux


0

4

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16

20

Energy (cm-1)

3H4

3H5

3H6

3F2

3F3,3F4

1G4

1D2

3P0

3P1

3P2 1I6

500 520 540 560 580 600 620 640 660 6800,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

Em

issi

on (a

rb. u

nit)

LiYF4:Pr

E c

E//c

longueur d'onde (nm)

E c E//c

• Section efficace dans le vert

plus faible sur certains matériaux

500 520 540 560 580 600 620 640 6600,00

0,05

0,10

0,15

0,20


U.A

.

spectre etalonné

KY3F10:Pr

x 2.3

x 5.5

Ce

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• Motivations






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Matériaux en couche mince


Guides d’ondes optiques

Intégration d’une

Source RVB

MicrochipCouche dopée Pr3+

Laser Bleu Laser autour de 607 nm

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Fluorures sous forme de couches minces

Épitaxie en Phase Liquide (LPE)

• Croissance en solution (soluté+solvant) sur un substrat monocristallin orienté (parfaitement poli rugosité de qq Å)

• Homoépitaxie - hétéroépitaxie

• Solvant baisse de la température de croissance (860°C contre 1380°C avec Bridgman)

• Vitesse de croissance élevée (~1µm/min)

13 Journées CMDO+, Laser Visibles-UV Novembre 2008

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Choix du solvant

Exemple de diagramme de phase : CaF2-CaCl2

• Dissoudre une quantité non négligeable du soluté• Peu volatile : Rapport soluté/solvant constant• Se dissoudre facilement après croissance

14 Journées CMDO+, Laser Visibles-UV Novembre 2008

Zone de sursaturation

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Y

LPE au CIMAPLPE au CIMAP

18

• Début de manips sous

atmosphère contrôlée (Nov 2008)

Elaboration de couches de CaF2 : Yb3+ et Er3+

( premiers essais sous air)


Ce

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1400 1450 1500 15500,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

massif couche


U.A

.

Fluorescence (excitation Ti:Sa 800nm)

19

Couche réalisée sous air

Premier rPremier réésultatsultat……

CaF2:Er3+


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520 540 560 580 600 620 640 660 680 7000,00

0,02

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0,08

0,10

0,12

massif Yb1% Er0.5% CaYbEr2-6 ajusté à ~655nm CaYbEr2-6 ajusté à ~540nm

08112101 Fluo Er3+ dans CaF2 Yb3+ Er3+pompage SaTi à ~980nm


U.A

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Couche réalisée sous atmosphère contrôlée

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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 bon compromis pour le RVB, mais faible efficacité dans le vert

- PbF2 – KYF4 bon candidats pour le 606 nm en pompage par avalanche ou direct

A suivre : Recherche et étude de nouveaux matériaux dopés Pr3+ ou Er3+ pour émission dans le vert, orange et rouge


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Début 2009 ANR FLUOLASE

PartenairesLAC, LCMCP : sources oranges – pompage par upconversionFabien Bretenaker, Philippe Goldner…

USCR-LVC : Verres fluorés en guides (Echange ionique)Virginie Nazabal, Jean-Luc Adam…

et CIMAP : recherche matériau, spectroscopie, pompage direct, coordination…

PatriceCamy, Jean-Louis Doualan, Abdel Benayad, Richard Moncorgé,…


PerspectivesPerspectives

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Laser rouge (644.5 nm) KY3F10Pompage Diode Bleue 446 nmCIMAP, Philips Aachen

Laser orange (607 nm) BaY2F8Pompage par avalanche de photons Ti:Sa 850 nmENSCP-LAC

Laser orange (604.5 nm) LiLuF4Pompage Laser Ar 476.5 nmCIMAP et pompage diode

LasersLasers visiblesvisibles PrPr3+3+


laser dans le domaine visible à base de fluorures...

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