Laser CaFLaser CaF22 ::YbYb, , ddééveloppementsveloppements rréécentscents
• JNCO 2009, Valpré Ecully, 2-4 décembre 2009
•• P. P. CamyCamy**, J.L. , J.L. DoualanDoualan, A. , A. BenayadBenayad, A. , A. PenaPena--RevellezRevellez, V. M, V. Méénard, R. nard, R. MoncorgMoncorgéé• Centre de Recherche sur les Ions, les Matériaux et la Photonique (CIMAP) • UMR 6637 CEA-CNRS-ENSICaen, Université de Caen, 14050 Caen, France
•• F. Druon, F. F. Druon, F. FriebelFriebel, J. , J. BoudeileBoudeile, D. N. , D. N. PapadopoulosPapadopoulos, M. Hanna, P. Georges, M. Hanna, P. Georges• Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique, UMR CNRS, • Campus Polytechnique, RD 128, 91127 Palaiseau, France
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JNCO 2009, 2-4 décembre, Valpré
•• CaFCaF22 : une drôle d: une drôle d’’histoirehistoire
•• SingularitSingularitéé de lade la spectroscopie despectroscopie de Yb:CaFYb:CaF22
•• Comportement Comportement àà basse tempbasse tempéératurerature
•• FonctionnementFonctionnement laser laser àà 77 K77 K
•• RRéésumsuméé et perspectiveset perspectives
Plan de Plan de ll’’exposexposéé
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W.J. Humphreys, “On the Presence of Yttrium and Ytterbium in Fluor-Spar”, Astrophysical Journal, vol. 20, p.266 ((19041904))
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yS.E. Hatch, W.F. Parsons, R.J. Weagley. “Hot-pressed polycrystalline CaF2:Dy2+
laser ”Appl. Phys. Lett. 5 pp 153-154. (1964)
R. J. Keyes and T. M. Quist. “Injection Luminescent pumping of CaF2:U3+ with GaAs diode lasers”Appl. Phys. Lett. 4 pp 50-51. (1964).
First diode-pumped solid-state and ceramic lasers were based on CaF2 crystals !
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More than 30 years without significant laser results(only spectroscopy)
Main reason: charge compensation and ion-clustering(even at low dopant concentrations)
Catlow et al (Phys. Rev. B 1982, Nature 1984) and many others : clusteringoccurs at about 0.1at%RE3+
3+Yb
F-
3+Yb
3+
F-
Yb
C3v C4v Oh
Yb3+
Fi-
dimer
RERE3+3+ CaCa2+2+
in CaF2
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4I11/2
4I13/2
4I15/2
4F3/2
4F5/2
4I9/2
Energy (cm-1)
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0Nd3+ Nd3+
4I11/2
4I13/2
4I15/2
4F3/2
4F5/2
4I9/2
Cross relaxation1.06 µmemission
« The extensive clustering of Nd3+ ions renders CaF2useless [as an amplifier medium], since the Nd clusters are virtually non luminescence »S. A. Payne et al., J. Opt. Soc. Am. B 8,4, (1991)
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Formation de « clusters » de terres rares
• Faibles distances inter-ioniques• Fortes probabilité d’interaction• Transferts efficaces :
- upconversion- relaxation croisée…
Favorable pour certains systèmes laser
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• Multiple cross relaxations Er3+-Er3+
• Diode-pumped at 800 nm, 970 nm or 1500 nm (terminal level)
• Laser operation at 2.8 µm
C. Labbe et al. Opt. Comm. 209 (2002)
Energy transfers processes allow population inversion
between 4I11/2 et 4I13/2 levels
800 nm
970 nm1.5µm
2.8µm
4 I15/2
4 I13/2
4 I11/2
4 I9/2
4 F9/2
4 S3/2
2 H11/2
energytransfers
laserpumping
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• Cross-relaxation (3H4-3F4) - (3H6-3F4)
• « 2 for 1 » system (one pump photon gives two excited ions)
• Laser operation at 1.9 µm
H
F
3
4
4
6
3
3
3
H
H
5
790nmpump
selfquenching
1.9µm
1.5µm
Tm3+
0 100 200 300 400 5000
20
40
60
80
100
120
140
160
1.34% Tm3+:CaF2
η=32%Ps=12 mW
2.6% T output coupler
η=41%
Puis
sanc
e la
ser (
mW
)
Puissance de pompe absorbée (mW)
10% T output coupler
P. Camy et al, Opt. Comm. (2004)
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Laser operation of Yb on a 1%Nd,2%Yb:CaF2 crystal pumped at 800 nm
4I11/2
4I13/2
4I15/2
4F3/2
4F5/2
4I9/2
Transfer
1 µm emission
Energy (cm-1)
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0Nd3+ Yb3+
0.8 µm pumping
2F7/2
2F5/2
V. Petit et al. Appl. Phys. Lett. 88 (2006)
700 750 800 850 900 950 1000 10500,0
5,0x1019
1,0x1020
1,5x1020
2,0x1020
2,5x1020
Nd3+
Yb3+
4F9/2 4F5/2
2F7/2 2F5/2
Wavelength (nm)
Aso
rptio
n cr
oss
sect
ion
(cm
2 )
900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 16000
200
400
600
800
Nd3+ EmissionYb3+ Emission 4F3/2 4I13/2
2F5/2 2F7/2
X1000
Wavelength (nm)
Fluo
resc
ence
(A.U
.)
Pompage à 800 nm sur le Nd3+ !!!
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1
47 F
67 F
2
07 F
3
45 D
57 F
35 D
400 6000,00
0,04
0,08
0,12
5D4
Excitation Yb à 980nm
CaF2 : Yb5% Tb2%
5D3
longueur d'onde (nm)In
tens
ité U
.A.
300mW 150mW 75mW 38mW
272 F
252 F
YbYb3+3+TbTb3+3+
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Yb3+ clusters
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y9200 9600 10000 10400 10800 11200 116000
1
2
3
4
5
6
7
Abs
orpt
ion
(arb
. uni
t)
Wavenumber (cm-1)
2% at. Yb3+
5.5% at. Yb3+
6% at. Yb3+
9% at. Yb3+
12% at. Yb3+ Au delà de 0.5% et jusqu’à 20 %
Pour de faibles dopages (<0.1%)
Sites isolés C3v, C4v, Oh
Pas de modification des spectres
T11
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T11
Hexameric clusters ? X-ray + electron diffraction
studies (*)
Stable configuration: RE6F37or 8:12:1
(for 8 vacancies VF, 12 interstitials F’and 1 interstitial F’’)
(*) C. Catlow et al., Nature 313, 601 (1984)S.E. Ness, Eur. J. Solid State Inog. Chem. 25, 509 (1988)
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10200 10400 10600 10800 110000.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
α4
α3
α2
α1
Abso
rptio
n (a
rb. u
nit)
Wavenumber (cm-1)9400 9600 9800 10000 10200
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Emis
sion
inte
nsity
(arb
. uni
t.)Wavenumber (cm-1)
α1
α2
α3
α4
T = 7K, 2%Yb:CaF2
Absorption spectrum Emission spectra for different excitation wavelengths
Un site et de nombreuses raies vibrationnelles
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10100 10200 10300 10400 10500 106000
102030405060708090
100
δλ
ω
γ
β
α
Oh (cE2)
C4v (bE2)
C4v (bE1)
C3v(dE2)
C3v (dE1)
CaF2: 0.03% at. Yb3+
CaF2: 0.05% at. Yb3+
CaF2: 0.115% at. Yb3+
CaF2: 2% at. Yb3+
Wave number (cm-1)
Abs
orpt
ion
(%)
Cluster Signature T= 7K
Stark sub-levels
Positions ofYb3+ cluster
V. Petit et al, Phys. Rev. B 78 (8) 085131 (2008)
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Wavelength (nm)
Cro
ss-s
ectio
ns (
x10-2
0cm
2 )
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
860 880 900 920 940 960 980 1000 1020 1040 1060 1080 1100
AbsorptionEmission
Wavelength (nm)
Cro
ss-s
ectio
ns (
x10-2
0cm
2 )
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
860 880 900 920 940 960 980 1000 1020 1040 1060 1080 1100
AbsorptionEmission
Cro
ss-s
ectio
ns (
x10-2
0cm
2 )
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
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0.6
860 880 900 920 940 960 980 1000 1020 1040 1060 1080 1100
AbsorptionEmission
bandes larges et peu structurées
Durée de vie longue (2.4 ms)
Sections efficaces relativement élevées
Diode pumping
Tunability
Short pulse operation
V. Petit et al (Appl. Phys. B 2004)
CW and tunable laser operation of Yb3+
doped CaF2
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Fabrication de monocristaux massifs de grande taille (jusqu’à 30 cm) par la technique de Bridgman
(source: Corning)
30 cm
Cristaux cylindriques dopés Yb3+
fabriqués au CIMAP (1.5*2 cm)
Cristal pur pour optiques UV
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y0 2 4 6 8 10 12 14 16 183
4
5
6
7
8
9
10
11
YAG
GGG
CaF2
LSO
KGW
Ther
mal
con
duct
ibili
ty (W
.m-1.K
-1)
Yb dopant concentration (%)
5% Yb3+ in CaF2 ≡ 10 %Yb3+ in YAG
Conductivitéthermique
équivalente àcelle du YAG
(Courtesy of B. Viana, ENSCP)
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(Courtesy of M. Siebold et al, 2007)
Yb:YAGLIDT ≈ 15J/cm2
Yb:CaF2LIDT ≈ 52J/cm2
Laser Induced Damage threshold (LIDT)Meilleur que le YAG ?
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Une fabricationfabrication (relativement) aisaisééee et despropripropriééttéés thermiquess thermiques remarquables
Yb3+ :CaF2,
Un système laser qui combine lesavantages des cristauxcristaux et des verresverres
+
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Travaux portant sur CaF2:Yb au cours de ces derniTravaux portant sur CaF2:Yb au cours de ces dernièères annres annééeses♦ CW and tunable laser operation of Yb3+ doped CaF2; ; V. Petit et al, Appl. Phys. B 78 (20042004)
→ Ti:Sa pumped, cw laser, 60 nm wavelength tunability
♦ High power tunable diode-pumped Yb:CaF2 laser; A. Lucca et al, Opt. Lett. 29 (2004) → 5.8 W C W output
♦ High power diode-pumped Yb:CaF2 femtosecond laser; A. Lucca et al, Opt. Lett. 29 (2004) → 0.9 W, 150 fs with SESAM
♦ Continuous wave THz generation based on a dual-frequency laser and a LTG InGaAs photomixer; R. Czarny et al, 2006 Int. Top. Meet. on Microwave Photonics IEEE. pp. 290-2. Piscataway, NJ, USA.
♦ High peak power tunable laser operation of Yb:SrF2, M. Siebold et al, Opt. Lett. 32, (2007)→ QCW output peak power of 180W and 1.5ms pulse duration, 73 nm tuning
♦ Tunable CW and Q-switched operation in Yb:CaF2 and Yb:SrF2, CLEO Munich (2007), OSA paper CA1-5 MON
→ 10µJ and 240fs pulses amplified up to 14mJ and 6.6nm bandwidth
♦ Broad-band regenerative laser amplification in Ytterbium-doped CaF2, M. Siebold, Appl. Phys. B 89(20072007).
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Yb:CaFYb:CaF2 2 ààBasse tempBasse tempéératurerature
Oui
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920 960 1000 1040 1080 11200.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
CaF2:4.5%Yb
Emis
sion
cro
ss s
ectio
n (1
0-20 cm
2 )
Wavelength (nm))
300K 15K 50K 77K 100K 150K 200K 250K
880 900 920 940 960 980 1000 1020 10400,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
CaF2:4.5%Yb
Wavelength (nm)
Abs
orpt
ion
cros
s se
ctio
n (1
0-20 cm
2 )
300K ref. 300K 15K 50K 77K 100K 150K 200K 250K
→ absorption cross section at 980 nm increases by a factor 3.5
→ emission cross sections at 1035 nm and 990 nm increase by a factor 2
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Thermal conductivityThermal conductivitywith temperaturewith temperature
~9.5 W.m~9.5 W.m--11.K.K--1 1 (RT )(RT )
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(Marcus Wolf, IOQ, Jena 2009)
Le seuil de dommage resterait Le seuil de dommage resterait sensiblement constantsensiblement constant……
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300 K300 K 123K 123K (mêmes (mêmes ééchelles et flux)chelles et flux)
(Marcus Wolf, IOQ, Jena 2009)
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123K 123K (mêmes flux)(mêmes flux)
Dommage 10 fois plus petit Dommage 10 fois plus petit àà basse basse temptempéérature et de type rature et de type “é“éruptifruptif””
(Marcus Wolf, IOQ, Jena 2009)
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Ion
s, le
s M
até
ria
ux
et
la P
ho
ton
iqu
e
Pa
tric
e C
am
y
Quasi 3 levels laser system 4 levels system
Higher Cross Sections
Emission bands still wide
Lifetime unchanged
much higher thermal conductivity and
lower thermal expansion coefficient
JNCO 2009, 2-4 décembre, Valpré
Ce
ntr
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ec
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Ion
s, le
s M
até
ria
ux
et
la P
ho
ton
iqu
e
Pa
tric
e C
am
y
5%Yb:CaF2e = 2.5 mm λp = 920 nm
76 % abs at T = 300K86 % at T = 77 K
880 900 920 940 960 980 1000 1020 10400.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
CaF2:4.5%Yb
Wavelength (nm)
Abso
rptio
n cr
oss
sect
ion
(10-2
0 cm2 )
300K ref. 300K 15K 50K 77K 100K 150K 200K 250K
Pump
Pump
Pump : Ti:Sa laser or Fiber-coupled laser diode (20W, 980nm)
JNCO 2009, 2-4 décembre, Valpré
Ce
ntr
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Ion
s, le
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até
ria
ux
et
la P
ho
ton
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Pa
tric
e C
am
y
0 200 400 600 800 10000
100
200
300
400
500
600
Tout=18.5%
Tout=18.5%
CaF2:Yb3+(5%) e=2.5mm 77K
RT
Tout=10.5%
Incident pump power (mW)
Out
put p
ower
(mW
)
Output coupling T=5% T=10.5% T=18.5%
RTη = 41.2% PTh = 92mWλL= 1050nm
η = 46% PTh = 210mWλL= 1046nm
ηη = = 43.3% 43.3% PPTh Th = 356mW= 356mWλλLL= 1032nm= 1032nm
77Kη = 53.9% PTh = 33mWλL= 1032nm
η = 60.2% PTh = 39mWλL= 1031nm
ηη = 64% = 64% PPTh Th = 86mW= 86mWλλLL= 1031nm= 1031nm
880 900 920 940 960 980 1000 1020 10400,0
0,5
1,0
1,5CaF2:Yb3+
Absorption
Wavelength (nm)
Cro
ss s
ectio
n (1
0-20 cm
2 ) 77K RT
Pump
JNCO 2009, 2-4 décembre, Valpré
Ce
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ton
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e
Pa
tric
e C
am
y
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200
2
4
6
8
10 5%Yb3+:CaF2 e=2.5mm
η=64%
77K
T=10%
Lase
r out
put p
ower
(W)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200
2
4
6
8
10
125%Yb3+:CaF2 e=2.5mm
η~86%T=18.5%
77K
Lase
r out
put p
ower
(W)
Incident pump power (W)
LD Pump at Room temperature [1] Tout=10%
ηη=45% P=45% Pthth=2W =2W λλLL=1053nm=1053nmPPmaxmax=5.8W for 15W incident=5.8W for 15W incident
[1] A. Lucca et al, Opt. Lett. 29 (2004)
LD Pump at 77 K Tout=10%
ηη=64% P=64% Pthth=1W =1W λλLL=1034nm=1034nmPPmaxmax=10.5W for 20W incident=10.5W for 20W incident
LD Pump at 77 K Tout=18.5%
ηη= 86% = 86% λλLL=1034nm (estimation)=1034nm (estimation)PPmaxmax=12.5W for 20W incident=12.5W for 20W incident
JNCO 2009, 2-4 décembre, Valpré
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y
Heavily-doped Yb:CaF2 is a single-cluster-site laser system characterized by a single emission lifetime
Spectroscopic and thermal properties of Yb:CaF2 are particularly well fitted for high power/tunable/short pulses laser systems
Thermo-mechanical properties and laser performance of Yb:CaF2 can be significantly improved down to 77K
Thermo-mechanical characterization of cryogenically cooled laser crystals
Power scaling in CW and ML regimesFabrication of improved quality and large size crystals for high
power (Petawatt level) laser amplifiers
JNCO 2009, 2-4 décembre, Valpré
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y
Merci pour votre attentionMerci pour votre [email protected]://cimap.ensicaen.fr/
Centre de recherche
Plage normande ensoleilléetypique à 15 min du labo
JNCO 2009, 2-4 décembre, Valpré