Cristaux optiques non linéaires de fluoroborate pour lasers UV – FLUOLUV

FLUOLUV est un PRC de 48 mois impliquant trois groupes de recherche universitaires nationaux [IRCP, SIMAP, NEEL] et une équipe japonaise [IMS] financée sur ressources propres. Les compétences complémentaires de ce consortium dans le domaine des matériaux et de l'optique seront mises à profit pour développer des cristaux optiques non linéaires (ONL) pour une génération UV laser efficace.

La mise au point de lasers solides émettant dans l’UV est fortement dépendante de la qualité et des caractéristiques des cristaux ONL. En dépit du marché imposant des lasers UV, très peu de cristaux commerciaux permettent aujourd’hui d’opérer une conversion de fréquence efficace dans l’UV. Le consortium a identifié une famille de fluoroborates d’alcalino-terreux comme cristaux ONL potentiels levant certaines limitations des cristaux actuels. L’IRCP a déjà élaboré de premiers cristaux en flux et démontré leur génération de troisième harmonique laser à 355 nm, malgré une qualité cristalline à optimiser. La flexibilité de composition de ces fluoroborates ouvre un champ d’investigation inédit permettant d’ajuster et d’étendre leur conversion de fréquence dans l’UV profond pour permettre la génération d'harmonique laser à 266 nm par un doublage de fréquence dans une configuration d’angle d’accord de phase non critique (APNC).
Pour accélérer le développement de ces cristaux ONL, le consortium a mis en place une méthodologie complète consistant à combiner des approches expérimentales et thermodynamiques ab-initio, et à réaliser une détermination exhaustive de leurs propriétés optiques jusqu’à leur intégration dans des prototypes microlaser. Le projet est organisé comme suit :

1. Approche théorique : simulations thermodynamiques et ab-initio. Les propriétés thermodynamiques des phases, des composés et des espèces gazeuses du système réciproque relatif à l’élaboration des fluoroborates seront modélisées en utilisant l'approche Calphad. De plus, des calculs DFT permettront de déterminer l'énergie de formation et la capacité calorifique de cette famille de matériaux ainsi que les propriétés physiques pertinentes. Les données théoriques seront confrontées aux valeurs expérimentales avant de calculer les diagrammes de phase qui permettront de déterminer les domaines de cristallisation primaires de chaque phase et les conditions optimales de croissance cristalline.
2. Approche matériaux : cristallogenèse des fluoroborates. Sur la base d’une approche originale « top-down » nourrie par les calculs ab-initio, de nouvelles compositions et conditions de croissance seront testées pour améliorer la qualité des cristaux de fluoroborate. L'objectif est de fournir des cristaux orientés de grande qualité optique et de 10 à 20 mm de long pour les tests de conversion de fréquence. La variation de composition des matériaux sera étudiée pour générer la longueur d'onde laser de 266 nm par doublage de fréquence en APNC.
3.Etude des propriétés optiques. L’orientation du repère diélectrique et les propriétés optiques seront mesurées en intégrant leur dépendance thermique. Les mesures directes des directions d’angle d’accord de phase et les efficacités associées de conversion vers l’UV seront notamment déterminées en utilisant la méthode de la sphère. L’ensemble des résultats, comprenant les équations de dispersion des indices de réfraction et les coefficients non linéaires, permettra de calculer les meilleures orientations des cristaux de fluoroborate pour des configurations de conversion de fréquence dans l’UV.
4. Conversion de fréquence dans l’UV. Le seuil de dommage optique et les effets limitant la conversion ONL UV seront estimés. Les applications pratiques de ces fluoroborates seront démontrées en développant des prototypes laser à émission UV à 355 et 266 nm basés sur des microchips YAG : Nd sub-ns à très forte puissance crête à 1064 nm.