Recherche et développement de cristaux de borates non linéaires pures et dopés Yb3+ pour la réalisation de laser visible de puissance accordables basés sur des processus de conversion de fréquence. – BORATESYB

Le projet se décline en 5 tâches menées parallèlement

Tâche 1 : Croissance de cristaux de YCOB de grandes dimensions
Les paramètres de cristallogenèse par la méthode Czochralski seront optimisés pour limiter les fractures et inhomogénéités des cristaux. Dans le cas des cristaux non dopés, la dimension des cristaux sera portée de 1 pouce à 2 pouces de diamètre. Tout en s'attachant à leur qualité, des pièces seront orientées, découpées et polies pour les caractérisations et tests optiques

Tâche 2 : Etude en composition et cristallogenèse de LGSB et BCBF
La composition des cristaux de LGSB [LaxGdyScz(BO3)4 (x + y + z = 4)] sera étudiée en détail car elle joue un rôle critique pour permettre une cristallogenèse par la méthode Czochralski et pour stabiliser la forme non centrosymétrique de ce cristal, seule à avoir des propriétés optiques non linéaires. Des cristaux d'un pouce de diamètre seront élaborés et mis en forme pour les tests optiques.
Une étude analogue sera conduite sur BCBF dans le but d'améliorer sa qualité cristalline et en permettre le dopage Yb

Tache 3 : Détermination des propriétés
Pour l'application de doubleur de fréquence, les propriétés pertinentes des cristaux seront déterminées comme le calcul des courbes d'angle d'accord de phase

Tache 4 : Caractérisation spectroscopique des cristaux dopés Yb
Des mesures de spectroscopie optique (absorption, emission) seront réalisées à différentes températures pour caractériser les propriétés de l'ion Yb dans chacune des matrices. L'effet de l'environnement de l'ion Yb sur ses propriétés sera caractérisé et les sections efficaces d’absorption et d’émission seront mesurées.

Tache 5 : Réalisation de sources laser
Tout d'abord, il s'agit de démontrer les performances lasers ou de doublage de fréquence des cristaux BCBF, LGSB et YCOB. Les cristaux dopés Yb seront caractérisés du point de vue de leur performances laser puis de leur efficacité comme autodoubleur de fréquence.

Des cristaux de LaxGdyScz(BO3)4, bien qu’à fusion non congruente, ont été obtenus pour la première fois par la méthode Czochralski. Leur bonnes propriétés optiques et la perspective d’une croissance en grandes dimensions sont prometteuses : 0,98 W de puissance laser à 1070 nm ont déjà été obtenus ouvrant la voie à l’autodoublage de fréquence.
Les propriétés spectroscopiques et d’autodoublage de fréquence ont été mesurées pour YCa4O(BO3)4 : Yb. Une puissance laser verte record de 330 mW a été obtenue, bien que limitée par une instabilité de l’effet laser.
Malgré la cristallochimie complexe de BCBF :Yb, des cristaux ont été obtenus avec la première démonstration d’un effet laser sous pompage par diode.

Parmi les 3 matrices étudiées dans ce projet, les 2 plus intéressantes s'avèrent être LGSB : Yb et YCOB : Yb, du point de vue de leur qualité cristalline, et de leurs performances laser et optique non linéaire.
Pour LGSB, les rendements de conversion de fréquence restent à établir et dans le cas d'un dopage Yb, il reste à étudier la compatibilité de l’émission laser fondamentale avec le doublage de fréquence dans le cas de l'autodoublage de fréquence. De réels espoirs reposent sur ce matériau étant donné que c'est un cristal de structure proche (YAB : Yb) qui détient actuellement le record de performances en autodoublage de fréquence.
Des puissances laser vertes très encourageantes ont été obtenues avec YCOB:Yb en conditions d'autodoublage de fréquence. Cependant le potentiel de ce cristal reste partiellement inexploité compte tenu d'une instabilité de l’émission laser qu'il convient de résoudre. De plus, d'autres configurations d'accord de phase pourraient être étudiées pour obtenir des performances accrues.
Grâce à ce projet, un nouveau four de croissance Czochralski a été acquis et testé par la partie française. Il permet d'accroître considérablement les capacités de cristallogenèse en offrant la possibilité d'élaborer des cristaux de plus grandes dimensions (2 pouces de diamètre) et de contrôler l'atmosphère de croissance.

Les nombreux résultats obtenus dans ce projet ont largement été communiqués dans des conférences internationales (ASSL, ECCG5, IS-OM7) et dans le cadre de journées de réseaux du CNRS (CMDO et Cristech). Ils ont fait l’objet de 5 communications par affiche, 2 oraux et 1 conférence invitée. De plus, 3 articles dans des journaux à comités de lecture ont déjà été acceptés pour publication. Enfin, le doctorant recruté dans ce projet a été mis en avant comme premier auteur de la plupart des communications (congrès, articles).

L’objectif de ce projet est d’identifier et de développer des solutions innovatrices et nouvelles pour la réalisation de Lasers solides compacts pompés par diode ; avec une émission efficace dans le domaine du verre. La méthode la plus couramment utilisé pour obtenir des souches laser de ce type est de réaliser une conversion de fréquence efficace de laser solide infrarouge par l’utilisation de cristaux non linéaire adaptés. Beaucoup d’efforts ont été mis en œuvre pour développer et étudier de nouveaux matériaux non linéaires dont le but d’améliorer leur propriété spécifique. Les derniers résultats expérimentaux montrent que les composés à base de borates constituent une véritable source de cristaux non linéaires efficaces. En effet ; parmi tous les composés inorganiques connus à ce jour, 36% des structures à base de borates sont non centro-symétriques, tandis que seulement 15% de toutes les structures inorganiques sont non centro-symétriques, par conséquent tous les cristaux non-linéaires découverts ses 10 dernières années sont majoritairement des composés à bases de borates tels que CsLiB6O10 (CLBO), BiB3O6 (BiBO), K2Al2B2O7 (KABO), KBe2BO3F2 (KBBF), ReCa4O(BO3)3 (Re = Gd, Y, La) - ReCOB, ReSc3(BO3)4 (Re = lanthanide). A ce jour deux familles de cristaux à bases de borates sont connus pour présenter une fusion congruente, ce qui permet leur croissance en grande dimension par la méthode CZOCHRALSKI : La famille des oxydes borates de calcium et de terres rares de compositions chimique ReCa4O(BO3)4 (Re = Gd, Y or La) ainsi que la famille de borate de scandium ReSc3(BO3)4.
Le projet ici proposé est un projet de recherche conjoint entre le laboratoire SSQEL (Solid-State Quantum Electronics Laboratory ), du National Institute for Laser, Plasma & Radiation Physics – INFLPR, à Bucarest ,en Romania, et le Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris - LCMCP de l’Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris (ENSCP) - Chimie ParisTech, France.
L’objectif du projet est d’obtenir des cristaux convertisseur de fréquence en grande dimension pour des lasers à forts flûs énergétiques. Le second objectif est de réaliser de nouvelles sources lasers compacts par autodoublage de fréquence dans le verre. Nous envisageons pour cela deux types cristaux de borates non linéaires.
I/ Les cristaux de YCOB purs et dopés Ytterbium considérés comme le chef de fil de la famille des oxyborates, de calcium et des terres rare.
II/ Les cristaux de LGSB purs et dopés Ytterbium qui appartiennent à la famille de composés de type Huntite
L’ensemble du travail que nous envisageons de réaliser durant ce projet devrait conduire aux résultats suivants :
- Croissance pour la première fois de cristaux de YCOB et LGSB, pures et dopés Ytterbium, de grandes qualités optiques et de grandes dimensions.
- Déterminer et définir des conditions de croissances cristallines précises afin de permettre une production industrielle qui permettrait la valorisation des cristaux élaborés durant le projet. Deux de nos collaborateurs industriels Cristal laser en France et FEE en Allemagne fabriquent et vendent des cristaux non-linéaires dans le monde entier. Leur intérêt pour les cristaux de YCOB et LGSB dépendra de la qualité de nos résultats durant ce projet.
- Faire une caractérisation complète des paramètres non linéaires et des propriétés d’usage des cristaux élaborés.
- Faire une caractérisation spectroscopique de cristaux de YCOB et LGSB dopé Ytterbium dans le but de réaliser un laser auto doubleur de fréquence efficace dans le visible.
- Offrir de nouvelles idées et solutions aux projets Européens et internationaux liés à la construction de laser de classe petawatt