Evolution du gain et du rapport « signal à bruit » avec la configuration de pompage

Lasers à cavité verticale émettant par la surface

VCSEL Un laser à cavité verticale émettant par la surface, ou Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSEL), est composé d’une cavité amplificatrice comprise entre deux miroirs de Bragg (figure I-3). La zone active est constituée de multiples puits quantiques, dont la composition et les épaisseurs sont déterminées en fonction de la longueur d’onde souhaitée. Les miroirs de Bragg sont deux miroirs de haute réflectivité autour de la longueur d’onde d’émission. La structure est donc entièrement épitaxiée sur un substrat. Figure I-3 : Schéma d’un VCSEL [LEOM]. Les VCSEL sont des structures relativement simples à fabriquer, leur croissance en couche ne nécessitant pas de reprise d’épitaxie. Elles peuvent être produites en série avec un coût de fabrication faible. D’autre part, la structure engendre un faisceau à symétrie de révolution sans astigmatisme, et leur émission peut être monomode longitudinale. Ces structures sont pompées électriquement. Des effets thermiques apparaissant dans la structure lors d’un pompage important limitent la puissance émise. Des puissances de l’ordre de 7 mW en faisceau monomode transverse ont été obtenues [Zhou 02].

VECSEL Une façon de remédier à la limitation des VCSEL en puissance est de séparer l’un des miroirs de la cavité de la zone à gain. Ceci permet d’agrandir le diamètre du mode fondamental de la cavité, et donc d’extraire plus de puissance du laser tout en conservant une émission monomode transverse. On parle alors de laser à cavité verticale étendue émettant par la surface (VECSEL pour Vertical-Extended-Cavity Surface-Emitting Laser). On utilise un « demi-VCSEL », c’est-à-dire le milieu à gain et un miroir de Bragg, avec un miroir externe (figure I-4). Figure I-4 : Schéma d’un VECSEL [Sandia]. Les VECSEL utilisent des miroirs concaves, ce qui permet d’augmenter la zone de gain jusqu’à un diamètre de l’ordre de 100 μm tout en conservant un faisceau monomode transverse, avec un pompage électrique [Hadley 93]. Une technologie commerciale est dérivée des VECSEL, et des systèmes produisant une puissance de 500 mW en faisceau monomode transverse ou de 1 W en faisceau multimode sont disponibles commercialement [Novalux]. Le pompage électrique n’étant pas une technique efficace pour la montée en puissance de l’émission de ces structures, le pompage optique est souvent utilisé [Kuznetsov 97].

En effet, les structures peuvent être conçues pour être absorbantes aux longueurs d’onde où des diodes laser de puissance ont été développées. Une puissance de pompe importante permet alors d’augmenter la puissance émise par le VECSEL. D’autre part, la zone pompée optiquement peut être définie de façon à obtenir une émission monomode transverse en utilisant une diode laser de pompage multimode transverse, ce qui rend cette solution particulièrement intéressante, la structure se comportant comme un convertisseur de mode spatial (figure I-5). Figure I-5 : Pompage optique d’un VECSEL Avec ce type de pompage, des structures épitaxiées sur des substrats fins ont permis d’atteindre récemment des puissances de 8 W autour de 1000 nm, pour une puissance de pompe de 16 W à 808 nm, avec une bonne qualité de faisceau (M2 < 1,8) [Lutgen 03]. Ces sources ont une largeur spectrale de l’ordre de 2 à 3 nm. L’inconvénient majeur de ces sources est la forte dépendance de leur spectre avec la température, et donc avec l’échauffement de la structure et la puissance de pompage. Il faut donc introduire un élément sélectif spectralement dans la cavité, tel un filtre de Lyot ou un étalon Fabry-Pérot. Une largeur de spectre de l’ordre de 0,1 nm a ainsi été obtenue pour une accordabilité de 970 à 995 nm, avec un filtre biréfringent placé dans la cavité [Abram 04], conduisant à une puissance maximale de 1 W autour de 976 nm, pour une puissance de pompe de 10 W à 808 nm. La montée en puissance via le pompage optique est une solution efficace, et une puissance de 30 W à 976 nm, émise dans un faisceau monomode, a récemment été démontrée avec l’utilisation d’une structure pompée avec une puissance de 80 W à 808 nm, nécessitant néanmoins le refroidissement de la structure vers 10 °C [Chilla 04]. Les VECSEL sont actuellement la meilleure solution proposée en lasers à semiconducteurs pour la réalisation de sources à 976 nm de forte puissance, et sont encore en cours d’étude aujourd’hui.

Les cristaux dopés par des ions Yb3+ pour l’émission à 976 nm

Les cristaux dopés par des ions Yb3+ sont des matériaux intéressants pour leur diversité et leur disponibilité, et de nouveaux cristaux sont régulièrement mis au point pour des applications spécifiques. Ils permettent de réaliser des sources simples, compactes, et ont souvent été utilisés pour leur émission autour de 1030 nm, pour la réalisation de sources laser de puissance, ou de sources femtosecondes qui exploitent la grande largeur du spectre d’émission dans cette gamme de longueur d’onde. Néanmoins la transition à trois niveaux que nous allons étudier étant difficile à mettre en oeuvre, il va falloir être soigneux sur le choix du cristal que nous allons utiliser. Puisqu’il existe différents types de matrices dopées par des ions ytterbium susceptibles d’être utilisables pour notre projet, nous allons étudier leurs intensités de transparence afin d’établir un critère de choix judicieux. Le tableau I-2 présente les caractéristiques spectroscopiques des principaux cristaux envisagés pour notre application [Yiou 03-1]. Dans ce tableau, p est la longueur d’onde de pompe et s celle du laser. p abs (s abs ) est la section efficace d’absorption et p em (s em ) celle d’émission à la longueur d’onde de la pompe (respectivement du laser). Itrans est l’intensité de transparence, et g le gain petit signal calculé pour une intensité de pompe égale à 10 fois l’intensité de transparence (équation I-3). Le premier critère de choix que nous utilisons est l’intensité de transparence.

D’après son expression (I-1), il faudrait maximiser le temps de vie, les sections efficaces d’absorption à la longueur d’onde de la pompe et d’émission à celle du laser et minimiser la section efficace d’absorption du laser pour diminuer l’intensité de transparence. D’après le tableau I-2, le cristal de Yb:S-FAP de type fluoroapatite [DeLoach 94] présente à la fois le temps de vie le plus long et la plus forte section efficace d’absorption à la longueur d’onde de la pompe. Il a ainsi une intensité de transparence très faible. Le deuxième critère de choix est le gain à la longueur d’onde d’émission. Plus ce gain est élevé, plus l’amplification à cette longueur d’onde sera forte, et le seuil laser faible. Nous avons donc comparé le gain linéique théorique des différentes matrices pour une intensité de pompe égale à 10 fois l’intensité de transparence (I-3), où Ntot est le dopage du cristal. Ce facteur 10 est un facteur arbitraire qui ne change pas la répartition relative des gains donnés dans le tableau I-2. Pour maximiser le gain, il faut maximiser les sections efficaces à la longueur d’onde du laser et diminuer la section efficace d’absorption s abs par rapport à celle d’émission s em . gain@10 Itrans Ntot s em 9 s abs 10 s abs s em . (I-3)

Il s’avère que la famille cristalline présentant le gain le plus important est la famille des tungstates et principalement le cristal de Yb:KYW, puisqu’il présente la plus forte section efficace d’émission stimulée à la longueur d’onde du laser. La comparaison des cristaux du tableau I-2 est récapitulée sur la figure I-7, où les deux critères de choix sont présentés. Les cristaux de Yb:S-FAP ont déjà été utilisés pour réaliser un laser à 3 niveaux [Yiou 03-2]. Leur émission à 985 nm a été démontrée avec un pompage par un laser Ti:Sa à 900 nm, limité par la diffraction. Un cristal de 4 mm de long, avec une concentration de 1,9.1019 ions Yb3+ par cm3, a été inséré dans une cavité concave-concave. Une puissance de 250 mW à 985 nm a ainsi été obtenue pour un pompage de 1,5 W. La puissance de pompe incidente au seuil est de 200 mW, et l’efficacité du laser par rapport à la puissance de pompe incidente est de 20 %. A notre connaissance, cette publication est la seule démontrant un effet laser dans un cristal dopé par des ions Yb3+ sur cette transition trois niveaux. Cependant, les cristaux de Yb:S-FAP ne sont pas disponibles commercialement, et il n’existe pas de diode laser de puissance suffisamment brillante à 900 nm pour permettre leur pompage par diode. Nous nous sommes donc intéressés aux tungstates (Yb:KYW et Yb:KGW), qui ont eux aussi des intensités de transparence raisonnables, et ont un gain plus important que les fluoroapatites. Les performances de ces cristaux vont néanmoins être limitées par la nécessité de dépasser l’intensité de transparence sur toute la longueur du cristal. Il faudra donc que la longueur de Rayleigh ZR du laser de pompe soit suffisamment grande pour que le cristal soit transparent à la longueur d’onde de l’émission, autrement dit, que la longueur du cristal soit inférieure à la longueur de Rayleigh de la source de pompage utilisée (figure I-8). Ou alors, il faut disposer d’une source très brillante, permettant d’obtenir une intensité suffisamment importante, même en dehors de la zone de Rayleigh.