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Laser UV à pompage électronique – UVLASE

Laser UV à pompage électronique (UVLASE)

Conception et développement d'un laser ultraviolet à base des hétérostructures AlGaN pompées par un faisceau d'électrons

UVLASE: Objectifs

Il existe une forte demande de lasers dans le domaine UV profond pour des applications telles que la détection à distance Lidar, la communication sans visibilité directe, la biochimie, l'impression 3D, etc. Cette gamme spectrale est actuellement couverte par des lasers à gaz ou des lasers basés sur la conversion de fréquences, qui sont encombrants, inefficaces et à longueur d'onde fixe. Les diodes laser seraient une alternative très prometteuse, mais leur mise en œuvre reste problématique à cause de la difficulté à fabriquer des couches p-AlGaN hautement conductrices. Dans ce projet UVLASE, nous développerons une nouvelle technologie de laser UV compact basée sur l'excitation des nanostructures d'AlGaN par un faisceau d'électrons hautement énergétiques fourni par une cathode à nanotubes de carbone. Nous visons des sources UV quasi-continues, refroidies par module Peltier, émettant à 350 nm et 265 nm, avec une puissance de sortie > 50 mW. Ce choix des longueurs d'onde devrait permettre une comparaison directe avec la technologie UV existante à base de laser Nd-YAG. Cependant, grâce au pompage électronique de UVLASE, la longueur d'onde laser pourrait être ajustée à chaque application spécifique dans toute la gamme 350-250 nm, sans dégradation significative du rendement.

Le projet UVLASE réunit les savoir-faire et l'expérience de l'Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble (CEA-IRIG) et l'Institut Néel (CNRS, Grenoble) dans la conception, la croissance et la caractérisation des hétérostructures AlGaN, et ceux de l'Université Claude Bernard Lyon I dans la fabrication de source d'électrons ultra brillante avec des cathodes à nanotubes de carbone. La synergie générée par l'interaction entre les trois partenaires devrait conduire à une avancée significative dans le domaine des lasers UV à l'état solide.

Nous avons achevé la conception et le développement des hétérostructures AlGaN / GaN constituant l'élément actif des lasers UV pompés par faisceau d'électrons. Notre objectif est de fabriquer un laser fonctionnant à des tensions d'accélération relativement faibles (7-10 kV). Cela devrait permettre de produire des dispositifs efficaces fournissant une puissance moyenne en fonctionnement quasi-cw avec une émission de rayons X réduite, pour concurrencer les lasers Nd-YAG. Le résultat des simulations Monte Carlo de la profondeur de pénétration des électrons a imposé une conception avec la région active proche de la surface (profondeur autour de 130 nm). Nous avons adapté le guide d'ondes et la conception électronique à cette exigence. Les structures ont été synthétisées par épitaxie par faisceau moléculaire assisté par plasma sur des substrats de GaN, et leur qualité structurelle a été validée par microscopie électronique à transmission et diffraction des rayons X. Les facettes du miroir ont été fabriquées par clivage, sans réflecteur Bragg distribué. Le gain a été mesuré en utilisant la méthode de longueur de bande variable (VSL) avec un laser excimère ArF (193 nm). La densité de puissance seuil sous pompage optique avec un laser Nd-YAG (266 nm) a été estimée autour de 27 kW / cm2 et 92 kW / cm2 pour les appareils émettant à 365 et 355 nm. La caractérisation de diverses cavités laser de différentes longueurs indique clairement que la principale source de pertes sont les pertes de miroir et non les pertes internes, même pour des cavités de 1,5 mm de long. Ces échantillons devraient permettre un laser utilisant le pompage d'électrons comme spécifié dans le projet (10 kV, 20 A/cm2).

il y a des raisons de s'attendre à une amélioration supplémentaire:
- Un seuil laser plus bas doit être atteint en réduisant le nombre de puits quantiques.
- La mise en œuvre d'une architecture GRINSCH devrait améliorer la collecte des porteurs.
- La gravure d'une crête devrait améliorer le confinement latéral.
- L'utilisation d'un revêtement hautement réfléchissant pour les miroirs devrait réduire les pertes de miroir.

REVUES A COMITE DE LECTURE

1. “Electrical and Optical Properties of Heavily Ge-Doped AlGaN”, R. Blasco, A. Ajay, E. Robin, C. Bougerol, K. Lorenz, L. C. Alves, I. Mouton, L. Amichi, A. Grenier, and E. Monroy, J. Phys. D: Appl. Phys. 52, 125101 (2019) (DOI: 10.1088/1361-6463/aafec2)

2. “Correlated electro-optical and structural study of electrically tunable nanowire quantum dot emitters”, M Spies, A Ajay, E Monroy, B Gayral, MI Den Hertog, Nano Letters 20, 314 (2020) (DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b03858)

3. “Assessment of AlGaN/AlN superlattices on GaN nanowires as active region of electron-pumped ultraviolet sources”, I Dimkou, A Harikumar, F Donatini, J Lähnemann, MI den Hertog, C Bougerol, E Bellet-Amalric, N Mollard, A Ajay, G Ledoux, ST Purcell, and E Monroy, Nanotechnol. 31, 204001 (2020) (DOI: 10.1088/1361-6528/ab704d)

4. “Internal quantum efficiency of AlGaN/AlN quantum dot superlattices for electron-pumped ultraviolet sources”, A. Harikumar, F. Donatini, C. Bougerol, E. Bellet-Amalric, Q.-M. Thai, C. Dujardin, I. Dimkou, S. T. Purcell, and E. Monroy, Nanotechnology (2020) (DOI: 10.1088/1361-6528/aba86c)

5. “Design of AlGaN/AlN Dot-in-a-wire Heterostructures for Electron-Pumped UV Emitters”, I Dimkou, A Harikumar, A Ajay, F Donatini, E Bellet-Amalric, A Grenier, Martien I den Hertog, Stephen T Purcell, and E. Monroy, physica status solidi (a) 217, 1900714 (2020) (DOI: 10.1002/pssa.201900714)

CHAPITRES D'OUVRAGES

1. Book Chapter. “Electromechanical self-oscillations of CNT field emitter”, A. Ayari, P. Vincent, S. Perisanu, P. Poncharal, & S. T. Purcell. Book Title: «Nanostructured Carbon Electron Emitters and its Applications« Editor Y. Saito. Pan Stanford Publishing. To appear.

2. Book Chapter. “Edge field emission from single layer graphene”, S. T. Purcell, P. Vincent, S. Perisanu, A. Ayari, & P. Poncharal. Book Title: «Nanostructured Carbon Electron Emitters and its Applications« Editor Y. Saito. Pan Stanford Publishing. To appear.

Il existe une forte demande de lasers dans le domain UV profond pour des applications telles que la détection à distance Lidar, la communication sans visibilité directe, la biochimie chimique, l'impression 3D, etc. Cette gamme spectrale est actuellement couverte par des lasers à gaz ou des lasers basés sur la conversion de fréquences, qui sont encombrants, inefficaces et à longueur d'onde fixe. Les diodes laser seraient une alternative très prometteuse, mais leur mise en œuvre reste problématique à cause de la difficulté à fabriquer des couches p-AlGaN hautement conductrices. Dans ce projet UVLASE, nous développerons une nouvelle technologie de laser UV compact basée sur l'excitation des nanostructures d'AlGaN par un faisceau d'électrons hautement énergétiques fourni par une cathode à nanotubes de carbone. Nous visons des sources UV quasi-continues, refroidies par module Peltier, émettant à 350 nm et 265 nm, avec une puissance de sortie > 50 mW. Ce choix des longueurs d'onde devrait permettre une comparaison directe avec la technologie UV existante à base de laser Nd-YAG. Cependant, grâce au pompage électronique de UVLASE, la longueur d'onde laser pourrait être ajustée à chaque application spécifique dans toute la gamme 350-250 nm, sans dégradation significative du rendement. Le projet UVLASE réunit les savoir-faire et l'expérience de l'Institut Nanoscience et Cryogénique (CEA, Grenoble) et l'Institut Néel (CNRS, Grenoble) dans la conception, la croissance et la caractérisation des hétérostructures AlGaN, et ceux de l'Université Claude Bernard Lyon I dans la fabrication de source d'électrons ultra brillante avec des cathodes à nanotubes de carbone. La synergie générée par l'interaction entre les trois partenaires devrait conduire à une avancée significative dans le domaine des lasers UV à l'état solide.

Coordinateur du projet

Madame Eva Monroy (Photonique Electronique et Ingénierie Quantiques)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

PHELIQS Photonique Electronique et Ingénierie Quantiques
ILM INSTITUT LUMIERE MATIERE
INEEL Institut Néel - CNRS

Aide de l'ANR 571 362 euros
Début et durée du projet scientifique : - 48 Mois

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