CA2188300C - Cristaux non lineaires et leurs applications - Google Patents
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- H01S3/1095—Frequency multiplication, e.g. harmonic generation self doubling, e.g. lasing and frequency doubling by the same active medium
Abstract
L'invention concerne les cristaux pour l'optique non linéaire. Les cristaux, selon l'invention, sont obtenus par cristallisation d'une composition à fusi on congruente de formule générale: M4LnO(BO3)3, dans laquelle: M est le Ca ou l e Ca partiellement substitué par Sr ou Ba; Ln est l'un des lanthanides du grou pe comprenant Y, Gd, La, Lu. Les cristaux, selon l'invention, sont utilisés com me doubleurs et mélangeurs de fréquence, comme oscillateur paramétrique optique ou, lorsqu'ils sont partiellement substitués par Nd3+, comme laser doubleur de fréquence.
Description
CRISTAUX NON LINÉAIRES ET LEURS APPLICATIONS
L'invention est relative à des cristaux pour l'optique non linéaire, à
la fabrication de ces cristaux et aux applications de ces cristaux.
Les cristaux utilisés en optique non linéaire appartiennent à
diverses familles qui présentent chacune des particularités bien t5 spécifiques. Historiquement l'un des premiers produits apparus dans ce domaine est le dihydrogénophosphate de potassium (KDP). Ce matériau est encore très largement utilisé en raison de la relative facilité de fabrication et, en conséquence, de son coût relativement faible. En revanche, le KDP présente une grande sensibilité à l'eau ce qui implique 2o quelques contraintes dans la façon de l'utiliser. Son coefficient de seconde harmonique est faible, ce qui conduit à une émission relativement faible du rayonnement de fréquence double. Si le KDP peut facilement former des monocristaux de bonnes dimensions, ce qui peut être nécessaire lorsqu'il faut pouvoir traiter des puissances relativement 25 élevées, la plupart des cristaux pour l'optique non linéaire sont en r pratique de petites dimensions. Ils sont en effet le plus souvent produits par croissance à partir de flux. C'est le cas de BBO, LBO et KTP. Dans ce mode, la croissance est très lente et requiert plusieurs semaines voire ~188~~~
R'O 96/26464 PCT/FR96100255
L'invention est relative à des cristaux pour l'optique non linéaire, à
la fabrication de ces cristaux et aux applications de ces cristaux.
Les cristaux utilisés en optique non linéaire appartiennent à
diverses familles qui présentent chacune des particularités bien t5 spécifiques. Historiquement l'un des premiers produits apparus dans ce domaine est le dihydrogénophosphate de potassium (KDP). Ce matériau est encore très largement utilisé en raison de la relative facilité de fabrication et, en conséquence, de son coût relativement faible. En revanche, le KDP présente une grande sensibilité à l'eau ce qui implique 2o quelques contraintes dans la façon de l'utiliser. Son coefficient de seconde harmonique est faible, ce qui conduit à une émission relativement faible du rayonnement de fréquence double. Si le KDP peut facilement former des monocristaux de bonnes dimensions, ce qui peut être nécessaire lorsqu'il faut pouvoir traiter des puissances relativement 25 élevées, la plupart des cristaux pour l'optique non linéaire sont en r pratique de petites dimensions. Ils sont en effet le plus souvent produits par croissance à partir de flux. C'est le cas de BBO, LBO et KTP. Dans ce mode, la croissance est très lente et requiert plusieurs semaines voire ~188~~~
R'O 96/26464 PCT/FR96100255
-2-plusieurs mois pour parvenir à des dimensions convenables pour une majorité d'utilisations.
II a été proposé des cristaux formés par fusion congruente selon les techniques de Czochralski ou Bridgman-Stockbarger. C'est le cas, par exemple, pour les cristaux de LiNb03. Les cristaux de LiNb03. présentent la particularité d'être photoréfractifs ce qui, pour la génération de seconde harmonique, est un inconvénient. Enfin les cristaux de LiNb03 sont très fragiles. Peut être également formé par fusion le LaBGe05.
Cependant il est difficile à obtenir en raison de l'apparition de phases indésirables si la conduite de l'opération de cristallisation .n'est pas parfaitement réglée. Par ailleurs, ce cristal n'offre qu'un coefficient de susceptibilité non linéaire relativement faible.
L'invention propose donc de produire des cristaux pour l'optique non linéaire à partir de leurs constituants fondus, leur fusion étant t5 congruente. L'invention propose~ussi l'utilisation de cescristaux non linéaires notamment comme doubleurs ou mélangeurs de fréquence ou comme oscillateurs paramétriques optiques. L'invention propose encore l'utilisation de ces cristaux incorporant en quantité efficace un ion générateur d'effet laser en vue de la production de cristaux laser auto-2o doubleur de fréquence.
Selon l'invention, les matériaux mis en oeuvre répondent à la formule générale M4Ln0(B03)s dans laquelle : ' 25 ~ M est le Ca ou le Ca partiellement substitué par Sr ou Ba, ~ Ln est l'un des lanthanides du groupe comprenant Y, Gd, La, Lu.
Dans le cas d'une substitution partielle du Ca par Sr ôu Ba, cette substitution est limitée à la teneur pour laquelle le bain fondu peut voir 21 ~~300 W 0 96t26464 PCl1FR96/00155 _3_ se développer des phases parasites lors de la cristallisation, autrement dit des valeurs pour lesquelles la phase MQLnO(B03)3 n'a a plus une fusion congruente.
' Pour les composés du type Ca4_XSrxLnO(Bb3)3 ~ x est, de préférence, inférieur à 0,5 et mieux encore, inférieur à
0,30.
Pour les composés du type Ca4_yBayLnO(BO3)3 ~ y est, de préférence, inférieur â 0,5 et mieux encore, inférieur à
0,3.
Le choix du lanthanide peut avantageusement être orienté en fonction de l'utilisation projetée. En effet, les coefficients non linéaires et la biréfringence du matériau dépendent de la terre rare insérée dans la matrice.
Les cristaux selon l'invention peuvent, comme indiqué
prëcédemment, être dopés au moyen d'ions lanthanides optiquement actifs, tel que le Nd3+. Les çristaux concernés sont de formule:
M4Ln~_ZNdzO (B03)s 2o dans laquelle ~ M et Ln ont les significations précédemment indiquées, z dépend de l'effet recherché sachant que la présence d'éléments substituants peut conduire à une compétition dans les effets induits.
' L'augmentation de la concentration, dans un premier temps, a pour conséquencé ûüé augmentation de l'effet laser. Au-delà d'une certaine concentration en ions de substitution, on constate l'extinction progressive de l'émission. Les ions substitués deviennent trop « proches » les uns des aûtres et interagissent. Dans la pratique, la substitution ne dépasse pas PCTIF'R96100255 VI'O 96126464 20 °I° et, de préférence, pas 10 °I°. Autrement dit z est, de préférence, inférieur à 0,2 et, de manière avantageuse, inférieur à 0,1. De manière générale, la concentration est telle que le temps de vie ne soit pas inférieur à la moitié du temps de vie maximum observable à faible ' concentration, soit 99 microsecondes.
Les cristaux non linéaires utilisés selon l'invention sont avantageusement obtenus par une méthode du type Czochralski ou Bridgman. Toute autre méthode de cristallogénèse à partir de la fusion peut convenir, en particulier la fusion de zone qui permet d'obtenir des to fibres monocristallines de faible diamètre.
Lesbains fondus sont obtenus à- partir d'oxydes des lanthanides Lnz03, des carbonates alcalino-terreux adéquats MC03 et d'acide ou d'anhydride borique. Les- constituants en poudre sont intimement mélangés et portés à une température suffisante pour assurer la fusion du i5 mélange. Cette température est maintenue le temps d'une homogénéisation complète. Le bain fondu est ensuite ramené à la température de cristallisation ce qui permet d'amorcer la formation d'un monocristal.
Pour la formation des cristaux dopés avec le Nd, la méthode est 2o identique. Le mëlange d'oxydes de lanthanides est simplement substitué
au lanthanide unique.
L'invention est décrite de manière plus détaillée dans ce qui suit, notamment en se référant aux cristaux Ca4Gd0(B03)~.
Le mélange initial est réalisé au moyen de 107 g de Gdz03, 236 g 25 de CaC03 et 109 g de H3B03, constituant une charge d'oxydes ' d'environ 300 g. Le mélange -effectué est- placé dans un creuset en iridium d'environ 100 cm3 dans une atmosphère neutre ou dans un creuset de platine d'environ 100 cm3 sous oxygène. La température est WO 96!26464 PCTlFR96/00255 portée à 1550°C pendant 2 heures. Elle est ensuite ramenée à proximité
de la température de fusion congruente (1480°C). Un germe d'orientation cristallographique convenablement choisie est fixé sur une tige mobile en rotation selon son axe. II est porté au contact de la surface -! 5 du bain.
La rotation de la tige sur son axe est de 33 à 45 tours/min.
Après une période d'initiation de la cristallisation, la tige, toujours en rotation, est animée d'un mouvement de translation de l'ordre de 0,5 mm/h pendant les trois premières heures, puis de 2,5 mm/h.
1o La croissance régulière du monocristal est interrompue lorsque le cylindre formé atteint 8 cm pour un diamètre de 2 cm. II est ramené à la température ambiante en 72 heures.
Le monocristal formé présente une très bonne homogénëité et ne comporte pas d'inclusion de bulles. II est d'une dureté Mohs de 6,5.
15 Les autres cristaux selon l'invention sont préparés selon les mêmes techniques. Les fusions congruentes observées se situent dans la plage de température de 1400 à 1500°C. .
Les cristaux obtenus sont résistants mécaniquement et chimiquement. Ils présentent la particularité d'être non hygroscopiques.
2o De plus, ils se prêtent commodément aux opérations ultérieures de taille et polissage. Leur structure est monoclinique sans centre de symétrie, (groupe d'espace Cm).
Les caractéristiques cristallographiques de Ca4Gd0(B03)3 sont ' ~ a = 8,092 ä
25 ~ b = 16,007 i\
~ c = 3,561 6 ~ [3 = 101,2°
~ Z=4 R'O 96!26464 PCTlFR96/00255 ~ densité d = 3,75 Les orientations des axes cristallophysiques X, Y, Z par rapport aux axes cristallographiques a, b, c sont . (Z, a) = 26°
. (Y, b)=0° °' ~ (X, c) = 15 °
L'angle (V, z) entre l'axe optique et l'axe Z est tel que 2 (V, z) _ 120,66°, ce qui définit le cristal comme bi-axe négatif.
Le cristal au gadolinium est transparent dans la plage 0,35
II a été proposé des cristaux formés par fusion congruente selon les techniques de Czochralski ou Bridgman-Stockbarger. C'est le cas, par exemple, pour les cristaux de LiNb03. Les cristaux de LiNb03. présentent la particularité d'être photoréfractifs ce qui, pour la génération de seconde harmonique, est un inconvénient. Enfin les cristaux de LiNb03 sont très fragiles. Peut être également formé par fusion le LaBGe05.
Cependant il est difficile à obtenir en raison de l'apparition de phases indésirables si la conduite de l'opération de cristallisation .n'est pas parfaitement réglée. Par ailleurs, ce cristal n'offre qu'un coefficient de susceptibilité non linéaire relativement faible.
L'invention propose donc de produire des cristaux pour l'optique non linéaire à partir de leurs constituants fondus, leur fusion étant t5 congruente. L'invention propose~ussi l'utilisation de cescristaux non linéaires notamment comme doubleurs ou mélangeurs de fréquence ou comme oscillateurs paramétriques optiques. L'invention propose encore l'utilisation de ces cristaux incorporant en quantité efficace un ion générateur d'effet laser en vue de la production de cristaux laser auto-2o doubleur de fréquence.
Selon l'invention, les matériaux mis en oeuvre répondent à la formule générale M4Ln0(B03)s dans laquelle : ' 25 ~ M est le Ca ou le Ca partiellement substitué par Sr ou Ba, ~ Ln est l'un des lanthanides du groupe comprenant Y, Gd, La, Lu.
Dans le cas d'une substitution partielle du Ca par Sr ôu Ba, cette substitution est limitée à la teneur pour laquelle le bain fondu peut voir 21 ~~300 W 0 96t26464 PCl1FR96/00155 _3_ se développer des phases parasites lors de la cristallisation, autrement dit des valeurs pour lesquelles la phase MQLnO(B03)3 n'a a plus une fusion congruente.
' Pour les composés du type Ca4_XSrxLnO(Bb3)3 ~ x est, de préférence, inférieur à 0,5 et mieux encore, inférieur à
0,30.
Pour les composés du type Ca4_yBayLnO(BO3)3 ~ y est, de préférence, inférieur â 0,5 et mieux encore, inférieur à
0,3.
Le choix du lanthanide peut avantageusement être orienté en fonction de l'utilisation projetée. En effet, les coefficients non linéaires et la biréfringence du matériau dépendent de la terre rare insérée dans la matrice.
Les cristaux selon l'invention peuvent, comme indiqué
prëcédemment, être dopés au moyen d'ions lanthanides optiquement actifs, tel que le Nd3+. Les çristaux concernés sont de formule:
M4Ln~_ZNdzO (B03)s 2o dans laquelle ~ M et Ln ont les significations précédemment indiquées, z dépend de l'effet recherché sachant que la présence d'éléments substituants peut conduire à une compétition dans les effets induits.
' L'augmentation de la concentration, dans un premier temps, a pour conséquencé ûüé augmentation de l'effet laser. Au-delà d'une certaine concentration en ions de substitution, on constate l'extinction progressive de l'émission. Les ions substitués deviennent trop « proches » les uns des aûtres et interagissent. Dans la pratique, la substitution ne dépasse pas PCTIF'R96100255 VI'O 96126464 20 °I° et, de préférence, pas 10 °I°. Autrement dit z est, de préférence, inférieur à 0,2 et, de manière avantageuse, inférieur à 0,1. De manière générale, la concentration est telle que le temps de vie ne soit pas inférieur à la moitié du temps de vie maximum observable à faible ' concentration, soit 99 microsecondes.
Les cristaux non linéaires utilisés selon l'invention sont avantageusement obtenus par une méthode du type Czochralski ou Bridgman. Toute autre méthode de cristallogénèse à partir de la fusion peut convenir, en particulier la fusion de zone qui permet d'obtenir des to fibres monocristallines de faible diamètre.
Lesbains fondus sont obtenus à- partir d'oxydes des lanthanides Lnz03, des carbonates alcalino-terreux adéquats MC03 et d'acide ou d'anhydride borique. Les- constituants en poudre sont intimement mélangés et portés à une température suffisante pour assurer la fusion du i5 mélange. Cette température est maintenue le temps d'une homogénéisation complète. Le bain fondu est ensuite ramené à la température de cristallisation ce qui permet d'amorcer la formation d'un monocristal.
Pour la formation des cristaux dopés avec le Nd, la méthode est 2o identique. Le mëlange d'oxydes de lanthanides est simplement substitué
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L'invention est décrite de manière plus détaillée dans ce qui suit, notamment en se référant aux cristaux Ca4Gd0(B03)~.
Le mélange initial est réalisé au moyen de 107 g de Gdz03, 236 g 25 de CaC03 et 109 g de H3B03, constituant une charge d'oxydes ' d'environ 300 g. Le mélange -effectué est- placé dans un creuset en iridium d'environ 100 cm3 dans une atmosphère neutre ou dans un creuset de platine d'environ 100 cm3 sous oxygène. La température est WO 96!26464 PCTlFR96/00255 portée à 1550°C pendant 2 heures. Elle est ensuite ramenée à proximité
de la température de fusion congruente (1480°C). Un germe d'orientation cristallographique convenablement choisie est fixé sur une tige mobile en rotation selon son axe. II est porté au contact de la surface -! 5 du bain.
La rotation de la tige sur son axe est de 33 à 45 tours/min.
Après une période d'initiation de la cristallisation, la tige, toujours en rotation, est animée d'un mouvement de translation de l'ordre de 0,5 mm/h pendant les trois premières heures, puis de 2,5 mm/h.
1o La croissance régulière du monocristal est interrompue lorsque le cylindre formé atteint 8 cm pour un diamètre de 2 cm. II est ramené à la température ambiante en 72 heures.
Le monocristal formé présente une très bonne homogénëité et ne comporte pas d'inclusion de bulles. II est d'une dureté Mohs de 6,5.
15 Les autres cristaux selon l'invention sont préparés selon les mêmes techniques. Les fusions congruentes observées se situent dans la plage de température de 1400 à 1500°C. .
Les cristaux obtenus sont résistants mécaniquement et chimiquement. Ils présentent la particularité d'être non hygroscopiques.
2o De plus, ils se prêtent commodément aux opérations ultérieures de taille et polissage. Leur structure est monoclinique sans centre de symétrie, (groupe d'espace Cm).
Les caractéristiques cristallographiques de Ca4Gd0(B03)3 sont ' ~ a = 8,092 ä
25 ~ b = 16,007 i\
~ c = 3,561 6 ~ [3 = 101,2°
~ Z=4 R'O 96!26464 PCTlFR96/00255 ~ densité d = 3,75 Les orientations des axes cristallophysiques X, Y, Z par rapport aux axes cristallographiques a, b, c sont . (Z, a) = 26°
. (Y, b)=0° °' ~ (X, c) = 15 °
L'angle (V, z) entre l'axe optique et l'axe Z est tel que 2 (V, z) _ 120,66°, ce qui définit le cristal comme bi-axe négatif.
Le cristal au gadolinium est transparent dans la plage 0,35
3 micromètres. Pour le composé à !'yttrium, la fenêtre de transparence est de 0,22-3 micromètres.
Les indices de réfraction enfonction de la longueur d'onde sont déterminés par la méthode du minimum de déviation. Ils s'établissent de la façon donnée au tableau suivant pour le cristal Ca4Gd0(B03)3~
7~ (E.rm) nX ny nZ
0.4047 1.7209 1.7476 1.7563 0.4358 1.7142 1.7409 1.7493 0.4678 1.7089 1.7350 1.7436 0.4800 1.7068 1.7333 1.7418 0.5090 1.7033 1.7295 1.7379 0.5461 1.6992 1.7253 1.7340 0.5780 1.6966 1.7225 1.7310 0.5876 1.6960 1.7218 1.7303 0.6439 1.6923 1.7181 1.7265 0.6678 1.6910 1.7168 1.7250 , 0.7290 1.6879 1.7133 1.7216 0.7960 1.6860 1.7112 1.7197 Partant des valeurs expérimentales ci-dessus, les formules de WO 96!26464 PCP/FA96/00255 _7_ Sellmeier ont été établies ~ nez = 2,9222 + 0,02471 / (7~2 - 0,01279) - 0,00820 7~Z
~ nzy = 2,8957 + 0,02402 / (7~z - 0,01395) - 0,01039 7~z ~ n2X = 2,8065 + 0,02347 / (7~z - 0,01300) - 0,00356 7~z A titre d'exemple, l'accord de phases pour le doublage de fréquence peut être obtenu pour des longueurs d'onde incidentes comprises entre 0,87 ~m et 3 pm. II est seulement de type I (les deux photons à la fréquence fondamentale ont la même polarisation) pour la longueur d'onde 1,064,um d'un laser YAG dopé Nd ; il est de type I ou ,o de type II (les deux photons à la fréquence fondamentale ont des polarisations orthogonales) pour les longueurs d'onde comprises entre 1,064 et 3,um.
Pour le borate étudié, les angles d'accord de phase de type I à
1,064,um sont ,5 g O
plan (x, y) 90° 46,3°
(x, z) 19,3 ° 0 °
Les coefficients non-linéaires ont été déterminés par la méthode dite de « l'angle d'accord de phase », par comparaison avec un cristal 2o étàlon dans les plans principaux. Le plan ZX a donné les meilleures performances. C'est ainsi que d~2 = 0.56 pmN
d32 = 0.44 pmN
La valeur du coefficient non linéaire effectif derr, mesurée dans le 25 plan ZX, dans la plage de longueur d'onde fondamentale 788-1456 nm, représente 40 à 70% de celle du deff du BBO.
Exposé au flux lumineux d'un laser YAG à 1,064 pm (6ns), le cristal Ca4Gd0(B03)3 prësente un seuil de dommage voisin de 1 _g_ GW/cm2, comparable à celui du BBO, dans les mëmes conditipns.
L'acceptance angulaire du Ca4Gd0(B03)3 est 2.15 mrd.cm, beaucoup plus élevée que celle du BBO (1.4 mrd).
L'angle de vvalk-off de Ca4Gd0(B03)3 est de 0.7° (soit 13 mrd), soit 5 fois plus faible que celui de BBO (4° soit 70 mrd).
Le taux de conversion de la première à la deuxième harmonique atteint la valeur de 55°l°. Les cristaux produisent une réponse stable.
Au vu des caractéristiques du Ca4Gd0(B03)3 décrites ci-dessus, les cristaux de Ca4Gd0(B03)3 représentent un nouveau matériau doté
d'excellentes propriétés non linéaires.
D'après le coefficient non linéaire effectif (derr) estimé, qui vaut entre 0.4 et 0.7 fois celui du BBO, l'efficacité du processus non-linéaire dans Ca4Gd0(B03)3 devrait être exceptionnelle, dans la mesure où il est possible d'en élaborer des monocristaux de grande taille par la méthode Czochralski.
L'obtention de monocristaux de manière relativement rapide et de coût modéré, jointe aux caractéristiques énoncées précédemment, permettent leur utilisation commode dans diverses applications. Parmi ces applications, les plus usuelles concernent le doublement de 2o fréquence de rayons lasers, notamment de ceux émettant dans l'infrarouge, donnant naissance à un rayonnement dans le visible.
Cés cristaux peuvent également servir à obtenir la somme ou la différence de fréquences entre deux faisceaux laser et à constituer des oscillateurs paramétriques optiques. ' T~ûjours ~ 'titre d'exemple d'application, les cristaux étudiés précédemment ont fait l'objet d'un dopage au Nd. En particulier, les inventeurs ont étudié les propriétés d'un monocristal de Ca4Gd0(B03)3 dopé au Nd. Les cristaux préparés comme précédemment étaient _g_ substitués pour 5 % du Gd par Nd.
Le cristal dopé offre l'avantage d'une très faible absorption pour des longueurs d'onde correspondant à la seconde harmonique, contrairement à ce que l'on observe par exemple pour les cristaux développés jusqu'à présent pour former des lasers doubleurs tels que les cristaux YAI3(B03)4 dopés au Nd (NYAB) qui présentent une absorption significative à 531 nm.
Le spectre d'absorption présente une bande large centrée à 810 nm dont la section efficace est mesurée à 1,5 x 10-z° cmz.
to L'émission du cristal dopé pour la transition 4F3~z ~ 41»2 est à la longueur d'onde de 1060 nm avec une section efficace d'émission de 1,7 x 10-2° cm2.
Pour le taux de dopage de 5 % Nd, le temps de vie de l'état excité
, est 95 microsecondes.
Les tests laser effectués sur un cristal de Ca4Gd0(B03)3, dopé avec du néodyme et taillé suivant les axes cristallophysiques X, Y et Z, ont conduit à l'observation de l'effet laser à 1060 nm, avec les caractéristiques suivantes Direction de Puissance de 9tendement Polarisation propagation du seuil diffrentiel du faisceau de pompe(mw) (%) faisceau laser mis 2o Le doublage de fréquence produit un rayonnement à 530 nm donc hors des zones d'absorption intense du cristal. Pour cette raison, les lasers auto-doubleurs de fréquence selon l'invention permettent d'obtenir W 0 96/26464 PC'TIFR96100255 une forte intensité de cette seconde harmonique.
Les exemples indiqués précédemment n'ont pas de . caractère limitatif. Ils sont donnés à titre d'illustration de l'invention dans certains de ses modes de réalisation. Ceux-ci montrent suffisamment les avantages procurés par l'invention de cristaux relativement peu coûteux, de grandes dimensions et offrant des propriétés intéressantes comme doubleurs ou mélangeurs de fréquence, oscillateurs paramétriques optiques ou encore comme lasers auto-doubleurs
Les indices de réfraction enfonction de la longueur d'onde sont déterminés par la méthode du minimum de déviation. Ils s'établissent de la façon donnée au tableau suivant pour le cristal Ca4Gd0(B03)3~
7~ (E.rm) nX ny nZ
0.4047 1.7209 1.7476 1.7563 0.4358 1.7142 1.7409 1.7493 0.4678 1.7089 1.7350 1.7436 0.4800 1.7068 1.7333 1.7418 0.5090 1.7033 1.7295 1.7379 0.5461 1.6992 1.7253 1.7340 0.5780 1.6966 1.7225 1.7310 0.5876 1.6960 1.7218 1.7303 0.6439 1.6923 1.7181 1.7265 0.6678 1.6910 1.7168 1.7250 , 0.7290 1.6879 1.7133 1.7216 0.7960 1.6860 1.7112 1.7197 Partant des valeurs expérimentales ci-dessus, les formules de WO 96!26464 PCP/FA96/00255 _7_ Sellmeier ont été établies ~ nez = 2,9222 + 0,02471 / (7~2 - 0,01279) - 0,00820 7~Z
~ nzy = 2,8957 + 0,02402 / (7~z - 0,01395) - 0,01039 7~z ~ n2X = 2,8065 + 0,02347 / (7~z - 0,01300) - 0,00356 7~z A titre d'exemple, l'accord de phases pour le doublage de fréquence peut être obtenu pour des longueurs d'onde incidentes comprises entre 0,87 ~m et 3 pm. II est seulement de type I (les deux photons à la fréquence fondamentale ont la même polarisation) pour la longueur d'onde 1,064,um d'un laser YAG dopé Nd ; il est de type I ou ,o de type II (les deux photons à la fréquence fondamentale ont des polarisations orthogonales) pour les longueurs d'onde comprises entre 1,064 et 3,um.
Pour le borate étudié, les angles d'accord de phase de type I à
1,064,um sont ,5 g O
plan (x, y) 90° 46,3°
(x, z) 19,3 ° 0 °
Les coefficients non-linéaires ont été déterminés par la méthode dite de « l'angle d'accord de phase », par comparaison avec un cristal 2o étàlon dans les plans principaux. Le plan ZX a donné les meilleures performances. C'est ainsi que d~2 = 0.56 pmN
d32 = 0.44 pmN
La valeur du coefficient non linéaire effectif derr, mesurée dans le 25 plan ZX, dans la plage de longueur d'onde fondamentale 788-1456 nm, représente 40 à 70% de celle du deff du BBO.
Exposé au flux lumineux d'un laser YAG à 1,064 pm (6ns), le cristal Ca4Gd0(B03)3 prësente un seuil de dommage voisin de 1 _g_ GW/cm2, comparable à celui du BBO, dans les mëmes conditipns.
L'acceptance angulaire du Ca4Gd0(B03)3 est 2.15 mrd.cm, beaucoup plus élevée que celle du BBO (1.4 mrd).
L'angle de vvalk-off de Ca4Gd0(B03)3 est de 0.7° (soit 13 mrd), soit 5 fois plus faible que celui de BBO (4° soit 70 mrd).
Le taux de conversion de la première à la deuxième harmonique atteint la valeur de 55°l°. Les cristaux produisent une réponse stable.
Au vu des caractéristiques du Ca4Gd0(B03)3 décrites ci-dessus, les cristaux de Ca4Gd0(B03)3 représentent un nouveau matériau doté
d'excellentes propriétés non linéaires.
D'après le coefficient non linéaire effectif (derr) estimé, qui vaut entre 0.4 et 0.7 fois celui du BBO, l'efficacité du processus non-linéaire dans Ca4Gd0(B03)3 devrait être exceptionnelle, dans la mesure où il est possible d'en élaborer des monocristaux de grande taille par la méthode Czochralski.
L'obtention de monocristaux de manière relativement rapide et de coût modéré, jointe aux caractéristiques énoncées précédemment, permettent leur utilisation commode dans diverses applications. Parmi ces applications, les plus usuelles concernent le doublement de 2o fréquence de rayons lasers, notamment de ceux émettant dans l'infrarouge, donnant naissance à un rayonnement dans le visible.
Cés cristaux peuvent également servir à obtenir la somme ou la différence de fréquences entre deux faisceaux laser et à constituer des oscillateurs paramétriques optiques. ' T~ûjours ~ 'titre d'exemple d'application, les cristaux étudiés précédemment ont fait l'objet d'un dopage au Nd. En particulier, les inventeurs ont étudié les propriétés d'un monocristal de Ca4Gd0(B03)3 dopé au Nd. Les cristaux préparés comme précédemment étaient _g_ substitués pour 5 % du Gd par Nd.
Le cristal dopé offre l'avantage d'une très faible absorption pour des longueurs d'onde correspondant à la seconde harmonique, contrairement à ce que l'on observe par exemple pour les cristaux développés jusqu'à présent pour former des lasers doubleurs tels que les cristaux YAI3(B03)4 dopés au Nd (NYAB) qui présentent une absorption significative à 531 nm.
Le spectre d'absorption présente une bande large centrée à 810 nm dont la section efficace est mesurée à 1,5 x 10-z° cmz.
to L'émission du cristal dopé pour la transition 4F3~z ~ 41»2 est à la longueur d'onde de 1060 nm avec une section efficace d'émission de 1,7 x 10-2° cm2.
Pour le taux de dopage de 5 % Nd, le temps de vie de l'état excité
, est 95 microsecondes.
Les tests laser effectués sur un cristal de Ca4Gd0(B03)3, dopé avec du néodyme et taillé suivant les axes cristallophysiques X, Y et Z, ont conduit à l'observation de l'effet laser à 1060 nm, avec les caractéristiques suivantes Direction de Puissance de 9tendement Polarisation propagation du seuil diffrentiel du faisceau de pompe(mw) (%) faisceau laser mis 2o Le doublage de fréquence produit un rayonnement à 530 nm donc hors des zones d'absorption intense du cristal. Pour cette raison, les lasers auto-doubleurs de fréquence selon l'invention permettent d'obtenir W 0 96/26464 PC'TIFR96100255 une forte intensité de cette seconde harmonique.
Les exemples indiqués précédemment n'ont pas de . caractère limitatif. Ils sont donnés à titre d'illustration de l'invention dans certains de ses modes de réalisation. Ceux-ci montrent suffisamment les avantages procurés par l'invention de cristaux relativement peu coûteux, de grandes dimensions et offrant des propriétés intéressantes comme doubleurs ou mélangeurs de fréquence, oscillateurs paramétriques optiques ou encore comme lasers auto-doubleurs
Claims (11)
1. Monocristal non linéaire obtenu par cristallisation d'une composition fondue congruente et de formule générale:
M4LnO(BO3)3 dans laquelle :
.cndot. M est le Ca ou le Ca partiellement substitué par Sr ou Ba, .cndot. Ln est un métal ou une combinaison de métaux du groupe constitué de Y, Gd, La, Lu et Nd.
M4LnO(BO3)3 dans laquelle :
.cndot. M est le Ca ou le Ca partiellement substitué par Sr ou Ba, .cndot. Ln est un métal ou une combinaison de métaux du groupe constitué de Y, Gd, La, Lu et Nd.
2. Monocristal non linéaire selon la revendication 1 obtenu par cristallisation d'une composition fondue congruente et de formule générale :
M4LnO(BO3)3 dans laquelle :
.cndot. M est le Ca ou le Ca partiellement substitué par Sr ou Ba, .cndot. Ln est l'un des lanthanides du groupe comprenant Y, Gd, La, Lu.
M4LnO(BO3)3 dans laquelle :
.cndot. M est le Ca ou le Ca partiellement substitué par Sr ou Ba, .cndot. Ln est l'un des lanthanides du groupe comprenant Y, Gd, La, Lu.
3. Monocristal selon l'une des revendications 1 ou 2 dans la formule générale duquel, lorsque Ca est partiellement substitué par Sr ou Ba, la teneur de l'élément substitué est limitée à celle pour laquelle la fusion n'est plus congruente.
4. Monocristal selon l'une des revendications 1 ou 2 de formule générale :
Ca4-x Sr x LnO(BO3)3 dans laquelle x est inférieur à 0,5.
Ca4-x Sr x LnO(BO3)3 dans laquelle x est inférieur à 0,5.
5. Monocristal selon l'une des revendications 1 ou 2 de formule générale :
Ca4-y Ba y LnO(BO3)3 dans laquelle y est inférieur à 0,5.
Ca4-y Ba y LnO(BO3)3 dans laquelle y est inférieur à 0,5.
6. Monocristal selon l'une des revendications précédentes, ledit cristal étant dopé et répondant à la formule générale :
M4Ln-z Nd z O(BO3)3 dans laquelle :
.cndot. M et Ln ont les significations précédemment indiquées, .cndot. z est au plus égal à 0,2.
M4Ln-z Nd z O(BO3)3 dans laquelle :
.cndot. M et Ln ont les significations précédemment indiquées, .cndot. z est au plus égal à 0,2.
7. Application d'un monocristal de l'une des revendications précédentes à la constitution d'un laser doubleur de fréquence ou mélangeur de fréquence ou oscillateur paramétrique optique.
8. Application d'un monocristal à la constitution d'un laser auto-doubleur de fréquence selon 1a revendication 7 dans lequel M est Ca, Ln est Gd ou La et le dopant est Nd.
9. Application d'un monocristal selon l'une des revendications 1 à 6, ledit cristal étant utilisé comme doubleur de fréquence d'un laser distinct.
10. Application d'un monocristal selon l'une des revendications 1 à 8 comme oscillateur paramétrique optique.
11. Application d'un monocristal selon l'une des revendications 1 à 6 comme mélangeur de fréquence de deux lasers distincts.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR95/01963 | 1995-02-21 | ||
| FR9501963A FR2730828B1 (fr) | 1995-02-21 | 1995-02-21 | Cristaux non lineaires et leurs applications |
| PCT/FR1996/000255 WO1996026464A1 (fr) | 1995-02-21 | 1996-02-16 | Cristaux non lineaires et leurs applications |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CA2188300A1 CA2188300A1 (fr) | 1996-08-29 |
| CA2188300C true CA2188300C (fr) | 2007-04-10 |
Family
ID=38007165
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CA002188300A Expired - Lifetime CA2188300C (fr) | 1995-02-21 | 1996-02-16 | Cristaux non lineaires et leurs applications |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CA (1) | CA2188300C (fr) |
-
1996
- 1996-02-16 CA CA002188300A patent/CA2188300C/fr not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CA2188300A1 (fr) | 1996-08-29 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| EEER | Examination request | ||
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Effective date: 20160216 |