Cristaux de CaF2 dopé Ytterbium pour la prochaine génération de lasers de forte-puissance/forte énergie

P. Camy, A. Benayad, J.L. Doualan, V. Ménard, R. Moncorgé (IRAMIS-CIMAP/MIL)

Dans la poursuite de l’amélioration des chaines laser de puissance, un axe majeur de développement est d’obtenir à la fois de meilleurs rendements et une meilleure accordabilité. Pour les futurs lasers devant fonctionner en pompage par diodes à haute cadence et à haute énergie, plusieurs matériaux susceptibles de répondre à cette double exigence (monocristaux, verres et céramiques dopés) sont aujourd’hui étudiés.

Parmi ces matériaux, la fluorine (CaF₂) dopée Yb³⁺ fabriquée et étudiée par l’équipe « Matériaux et Instrumentation Laser (MIL) » du Laboratoire CIMAP, est sur le point de devenir un des candidats les plus sérieux. Ce matériau sous forme monocristalline, dopé par l’ion trivalent ytterbium (Yb³⁺) présente, en effet, des propriétés remarquables : de larges bandes d’absorption et d’émission, un temps de vie radiatif élevé, de bonnes sections efficaces de transition et d’excellentes propriétés thermo-mécaniques.

Ces caractéristiques, réunies dans un même matériau, combinent les avantages des verres et de certains monocristaux. Elles permettent d’obtenir ou d’amplifier des impulsions courtes et/ou de disposer d’une grande accordabilité en longueur d’onde comme dans les matériaux vitreux, tout en ayant de très bons rendements, et des seuils de dommages élevés, comparables à ceux des cristaux. Enfin, ce qui est très important pour un développement à grande échelle, il a été largement démontré pour les besoins de la photolithographie UV que l’on pouvait fabriquer des cristaux non dopés de très grande dimension et d’excellente qualité. Moyennant une adaptation des conditions de croissance, il est donc tout à fait envisageable de fabriquer des cristaux dopés de 20, voire 30 cm de diamètre pour des amplificateurs de chaînes laser de très forte puissance.

Dans un article récent publié dans la revue « Laser Physics », l’équipe du MIL vient de montrer qu’il est possible d’améliorer encore les performances de ces cristaux en abaissant leur température. Il est en effet de plus en plus courant d’abaisser la température des cristaux laser dans les chaînes laser de forte puissance (comme par exemple pour les lasers Ti-saphir et YAG :Yb). Ceci permet d’améliorer à la fois la tenue au flux, en évacuant mieux la chaleur, et d’abaisser les seuils et augmenter les rendements, en augmentant l’absorption du rayonnement de pompage et le gain laser. Pour les systèmes quasi 3 niveaux comme les cristaux dopés Yb³⁺, les améliorations attendues à basse température sont d’autant plus importantes que ces systèmes se comportent alors comme des systèmes à 4 niveaux, dont le rendement est bien meilleur. On montre ainsi que pour CaF₂ :Yb³⁺, le refroidissement à la température de l’azote liquide permet de diminuer le seuil de fonctionnement laser et d’augmenter son rendement de plus de 15% (par rapport à la température ambiante), et d’atteindre ainsi un rendement (puissance lumineuse émise/puissance lumineuse absorbée) de plus de 80%.

Par ces résultats remarquables, l’équipe MIL du laboratoire CIMAP est sollicitée aujourd’hui par plusieurs organismes dont le « Laser Particle Acceleration Group » du FZ de Dresde-Rossendorf pour mener l’étude et le développement de cristaux de plusieurs centimètres de diamètre en faisant évoluer la technique mise au point à Caen. Ces cristaux seront d’abord testés à la place des verres fluorophosphates utilisés dans le laser POLARIS. Si les résultats sont concluants, il est envisagé d’élaborer un système petawatt (10¹⁵ W) complet à base de CaF₂ :Yb³⁺.

Références

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  J.L. Doualan, P. Camy, A. Benayad, V. Ménard, R. Moncorgé, J. Boudeile, F. Druon, F. Balembois, P. George,
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• High power diode-pumped Yb:CaF₂ femtosecond laser,
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• Spectroscopy of Yb³⁺ :CaF₂: from isolated centers to clusters,
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Contacts : P. Camy, A. Benayad, J.L. Doualan, V. Ménard, R. Moncorgé (IRAMIS-CIMAP/MIL)