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Cristaux et fibres

Cristaux et fibres

Actuellement les sources laser tout solide produisant un rayonnement cohérent UV par génération d'harmoniques aux longueurs d'onde inférieures à 350 nm, en particulier vers 200 nm, sont dépendantes de quelques matériaux (Li2B3O5 (LBO), BaB2O4 (BBO), CsLiB6O10 (CLBO)), tous étant limités par les absorptions résiduelles engendrant, à forte énergie, des endommagements irréversibles. Le défi étant de repousser le front d’absorption vers les courtes longueurs d’onde, la pureté des poudres de départ, la ségrégation des solvants, les processus de croissance sont autant de paramètres qui nécessitent des recherches spécifiques. Les applications de ces sources sont nombreuses : photo-lithographie, marquage, micro usinage, découpe, chirurgie, photochimie... Elles seront amenées à remplacer les lasers excimères. Un tel développement nécessite l’élaboration de cristaux non linéaires à seuil de dommage optique élevé et présentant une bonne efficacité non linéaire et permettant d’atteindre des domaines de longueurs d’onde allant jusqu’à 160 nm. Une seconde application (vidéo projection sur écran géant) est également visée et concerne l’obtention de longueurs d’onde dans la bande 510 – 580 nm pour laquelle il n’existe pas de diode laser à semi-conducteur efficace et fiable. Il s’agit alors de développer des cristaux permettant la génération d’harmonique à ces longueurs d’ondes avec de très bons rendements.

Les objectifs de cette activité, menés dans le cadre des réseaux technologiques CNRS Cristaux Massifs, Microstructurations et Dispositifs pour l'Optique (CMDO+) pour les matériaux ONL, et Cristech pour la croissance cristalline, concernent l'optimisation de la croissance de ces matériaux sous deux formes : cristaux massifs par tirage Czochralski et fibres par technique “micro-pulling down”. La forme massive permet la préparation d’échantillons taillés dans les directions d’accord de phase, la forme fibrée est plus favorable à la propagation de la lumière et à la miniaturisation, évitant des étapes de découpe et polissage plus ou moins fastidieuses. Le tirage de fibre cristalline permet en outre d'explorer les paramètres de croissance en un temps très court et sans consommer beaucoup de matière. Il s'agit ensuite de caractériser leurs propriétés optiques linéaires (dispersion des indices de réfraction et absorption) et non linéaires (coefficients de génération de seconde harmonique et accord de phase).

Ces travaux ont été conduits dans le cadre du projet ANR UV-Borate (2006-2010) en collaboration avec les industriels Cristal Laser (Messein), FEE (Idar Orberstein, Allemagne), EOLITE (Pessac), Shasta Crystals (Anderson, Californie, USA) et les laboratoires de recherche LCMCP (Paris) et LCFIO (Palaiseau).

Résultats significatifs

Exemple

"Nonlinear optical properties of Ca5(BO3)3F crystal", Xu, Ke; Loiseau, Pascal; Aka, Gerard; Maillard, Regine; Maillard, Alain; Taira, Takunori, Optics express, 16 (2008) 17735-17744

Ca5(BO3)4F (CBF) est un matériau non hygroscopique, présentant une bonne efficacité de conversion et permettant d’atteindre un accord de phase non critique dans l’UV à 289 nm. Le rendement de conversion en génération de second harmonique est présenté en fonction de l’énergie de la longueur d’onde fondamentale λ=1064 nm pour les deux type d’accord de phase I et II. Le dopage de CBF doit permettre d’atteindre un accord de phase non critique à λ=266 nm et ainsi concurrencer des matériaux moins simples à mettre en oeuvre (très hygroscopiques et difficiles à polir) comme BBO où CLBO.