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Univ. Paris-Saclay
04 novembre 2019
CaF2:Yb : un laser en guide d’onde ultra compact.
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Les structures de cavité laser en guide d'onde permettent d'obtenir un gain optique élevé ainsi que des seuils de fonctionnement réduits. Ce type de structure permet en outre la réalisation de cavités laser d'une grande compacité, avec l’ajout possible de fonctions optiques intégrées (miroirs de Bragg, coupleurs, capteurs par ondes évanescentes…).

Après ses multiple succès dans la réalisation de cristaux CaF2:Yb à grand gain pour laser de très haute puissance, l'équipe du CIMAP a conçu un laser solide, basé sur une cavité en guide d'onde planaire, constituée d'une couche mince de fluorure de calcium dopé à l'ytterbium. La structure proposée est bien adaptée pour la réalisation de lasers pulsés intégrés ultra-compacts à haute cadence, en régime femtoseconde.

 

Le fluorure de calcium (CaF2) est un matériau bien connu pour les composants optiques du fait de sa parfaite transparence sur tout le spectre visible. Pour les lasers de puissance, il présente l'avantage supplémentaire d'une bonne conduction thermique. Il est constitué d’une matrice cristalline qui, dopée avec des ions de terres rares tel que des ions ytterbium, a des propriétés spectroscopiques remarquables. Le CIMAP a été pionnier sur le CaF2:Yb [1], qui est un milieu à gain particulièrement efficace pour les lasers de haute puissance et à impulsions ultracourtes pour des longueurs d'onde de l'ordre de ~ 1 µm. Il est aujourd’hui utilisé dans les chaînes laser petawatt Européennes POLARIS, PENELOP…, ainsi que sur les premiers étages du laser Apollon (Saclay) ou encore pour des lasers commerciaux.

Nous rapportons ici la démonstration du premier laser CaF2:Yb en guide d'onde planaire. Les guides d'ondes monocristallins sont formées d'une bande en couches minces (27 µm) de CaF2 :Yb épitaxiées sur des substrats CaF2 pur (20x12 mm2 pour une épaisseur de 2 mm) par la technique d’épitaxie en phase liquide (solvant : CaCl2). L'étude spectroscopique indique une structure avec une prédominance d'ions Yb3+, isolés dans les sites trigonaux au voisinage d’oxygène (C3v, T2, voir figure ci-contre).

 
CaF2:Yb : un laser en guide d’onde ultra compact.

Spectres de luminescence à température ambiante de cristaux de CaF2 pour différent dopages Yb en volume et pour une couche mince de Yb (1.4%):CaF2 élaborée par LPE. Mesure autour de la transition de la ligne à zéro phonon (ZPL : Zero Phonon Line) des ions Yb3+ dans divers sites, à λexc = 931 nm.

CaF2:Yb : un laser en guide d’onde ultra compact.

(a) Dispositif laser : P – polariseur de Glan-Taylor, PM – miroir de pompage optique, OC – coupleur de sortie, F – Filtre ; (b) photographie de la cavité laser - guide d'onde planaire Yb:CaF2.

Pour le guide d’onde ainsi réalisé, un gain optique net a été mesuré et un effet laser a été obtenu sur une cavité en guide d’onde très compacte (< 2cm, voir figure ci-contre). Une puissance de sortie de 114 mW à 1037 nm a été obtenue, avec une efficacité de 12,9% (Voir figure ci-dessous) [2].

Ces guides CaF2:Yb apparaissent comme étant extrêmement prometteurs pour l’obtention de sources lasers ou d’amplificateurs lasers intégrés à haute cadence, en régime femtoseconde.

 

Références :

[1] "CW and tunable laser operation of Yb3+ doped CaF2"
V. Petit, J. L. Doualan, P. Camy*, V. Ménard, R. Moncorgé,  Appl. Phys. B 78(6) (2004) 681.

[2] “Ytterbium calcium fluoride waveguide laser”,
P. Loiko, R. Soulard, E. Kifle, L. Guillemot, G. Brasse, A. Benayad, J-L. Doualan, A. Braud, M. Aguiló, F. Díaz, X. Mateos, and P. Camy*, Optics Express, 27 (2019) 12647.

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Contact CEA-IRAMIS : Patrice Camy  (CIMAP - UMR6252 : Centre de recherche sur les Ions, les MAtériaux et la Photonique)

 

Collaboration :

 

 
CaF2:Yb : un laser en guide d’onde ultra compact.

Variation du rendement (donné par la pente moyenne η de chaque courbe) des cavités laser - guide d'onde planaire Yb:CaF2, pompé par un laser Ti saphir.

#3172 - Màj : 05/11/2019

 

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