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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
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
1. Présentation
Concept LaserConcept Laser
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
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
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
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
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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
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
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
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3. La méthode micro-pulling-down
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Machine de tirage Fibercryst Schéma de principe µPD
Etat stationnaire et connexion
Matériau et dimensionnement
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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
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Croissance des fibres Croissance des fibres YAG:YbYAG:Yb
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Yb:YAG 1 % at. Fibres monocristallines de 5cm de long et 1mm de diamètre
Fibres YAG
5. Croissance de fibres cristallines YAG:Yb
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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
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
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
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Spectre d’émission du YAG:Yb 0,3 %at.
Transition Yb3+ :
²F7/2 ²F5/2
Temps de vie : 1,06 ms
6. Caractérisations
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
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• Mesures d’absorption à 969 nm
• Concentration moyenne d’échantillons de 5 cm de long
6. Caractérisations
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)
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6. Caractérisations
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
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6. Caractérisations
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
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6. Caractérisations
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
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6. Caractérisations
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
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OpOpéération Laserration Laser
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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
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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
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I. Martial « Lasers à fibres cristallines dopées Nd et Yb : point sur les avancées récentes » - JNCO - Vendredi 4 décembre
ConclusionConclusion
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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
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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
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