Diamond debuts in Raman laser

December 11, 2008--A team of physicists at Macquarie University (Sydney, Australia) has created what it calls "the first diamond laser using a technique based on the Raman effect." The achievement has demonstrated a new, more effective method for generating a powerful beam, and has shown that chemical vapor deposition (CVD) diamonds are of adequate size and quality to enable exploration of a new class of laser devices.

     Diamond crystals of sufficient size and quality have been grown and used in compact Raman lasers for the first time.

     Commercial availability of diamond crystals of sufficient size and quality has allowed a team in Australia to produce a diamond external cavity Raman laser emitting at 573 nm. A Raman laser's ability to convert the beam quality of the pump laser could see diamond-based Raman lasers used in applications as diverse as terahertz threat detection to ultraviolet lasers and directed energy weapons (Optics Express 16 18950).

     Diamond has long attracted interest as a laser material due to its high thermal conductivity, high Raman gain and broad optical transmission (ranging from 220 nm to 3 µm and 5-100 µm). Such properties make diamond Raman lasers useful as a wavelength converter to almost any spectral region.

     The problem facing Mildren and colleagues is the lack of large, high-purity and quality diamond crystals. The solution adopted by the team was to use a low-defect single-crystal diamond produced by industrial diamond manufacturer, Element Six, UK. The diamond was grown by chemical vapour deposition to a size of 5 x 5 x 1.47 mm and exhibited excellent transmission at the pump and output wavelength (573 nm).

Diamond has long attracted interest as a laser material due to its high thermal conductivity, high Raman gain and broad optical transmission (ranging from 220nm - 3 microns and 5-100 microns). Such properties make diamond Raman lasers useful as a wavelength converter to almost any spectral region.

     In the laser set-up, the diamond crystal was oriented at Brewster's angle and placed in between two resonator mirrors. The resonator mirrors were positioned as close as possible to the diamond crystal to form a cavity length of 15 mm. The Raman laser was pumped through the input resonator mirror using a frequency-doubled Nd:YAG laser emitting at 10 ns pulses at 532 nm at a repetition rate of 10 Hz.

     "The input mirror is highly transmitting at the pump wavelength and highly reflecting at the Raman shifted wavelengths (555-650 nm)," explained Mildren. "The pump beam is reflected by the second end-mirror and so makes a double pass of the Raman medium. The second end-mirror is also reflective at 573 nm so that the cavity resonated at this wavelength to give an overall conversion efficiency of 13%."

   Laser Raman à retournement de spin

     Diffusion stimulée par des électrons dans un semi-conducteur

     Une lumière incidente de fréquence n_p est diffusée à une fréquence n_R telle que :

     L’effet Raman à retournement de spin implique un processus au cours duquel le spin d’un électron de la bande de conduction du cristal semi-conducteur est renversé par rapport à la direction d’un champ magnétique externe B.

     g est le rapport gyromagnétique effectif de l’électron (qui peut prendre des valeurs élevées dans un environnement cristallin), et m_B le magnéton de Bohr.

     La grande valeur de g dans les semi-conducteurs (de l’ordre de 50 dans InSb) conduit à des domaines de balayage de près de 5x10¹² Hz pour des champs magnétiques allant jusqu’à 100 kilogauss.

     La section efficace de diffusion spin flip Raman augmente de façon résonnante lorsque l’énergie des photons de pompage s’approche de la valeur de la bande interdite (gap) E_G.

   Laser Raman à base de silicium

     Le silicium se taille la part du lion dans l'industrie de la micro-électronique, mais n'est pas utilisé dans les applications photoniques car il n'émet pas suffisamment de lumière et n'est transparent que dans l'infrarouge, et présente une bande interdite (gap) indirecte.

     Des chercheurs de l'Université de Californie, à Los Angeles, ont découvert en 2005, un moyen d'exploiter l'effet Raman et de faire agir un laser sur du silicium.

     La réalisation d'un laser Raman compact tout-silicium sur une puce de silicium ouvre donc littéralement un nouveau domaine de recherche grâce à Haisheng Rong et ses collègues des laboratoires Intel de Santa Clara en Californie et Jérusalem en Israël.

     Rong et ses collègues ont commencé par réaliser un guide d'onde en silicium en lui donnant la forme d'un "S" en utilisant des techniques standard de gravure et de photo-lithographie. Le guide d'onde a une section efficace interne d'environ 1,6 microns carrés et une longueur de 4,8 centimètres. Ensuite, ils ont fabriqué une cavité laser optique Raman en recouvrant l'une des facettes du guide d'onde avec un matériau très réfléchissant.

     La génération du rayonnement se fait à partir d'une diode en phosphure d'indium InP (1536 nm). Cette longueur d'onde a été choisie pour être dans la zône de transparence du silicium. La lumière ainsi générée est rendue cohérente dans un guide d'onde en silicium d'une dizaine de µm de largeur gràce à la diffusion Raman.

     Les procédés de fabrication classiques de circuits intégrés sont utilisés pour le guide d'onde. La fixation du phosphure d'indium au silicium se fait par adhérence : un plasma froid d'oxygène est appliqué sur les 2 parties, créant une couche de 25 atomes d'oxygène, qui va maintenir le silicium et le phosphure d'indium ensemble dans une réalisation plus compacte.

     En pompant la cavité avec les pulses d'un laser opérant à une longueur d'onde de 1536 nanomètres (6510 cm^-1), l'équipe a observé un signal de sortie d'une longueur d'onde de 1669,5 nanomètres (soit à 520 cm^-1 du laser de pompe) quand la puissance de la pompe a atteint 0,4 microWatts. C'est la raie Raman du silicium à 520 cm^-1 qui est révélée et amplifiée dans la cavité optique en forme de guide d'onde

     Cependant, cela ne s'est produit que sur une durée d'environ 100 nanosecondes, délai au bout duquel un phénomène appelé " absorption à deux photons " a stoppé l'activité du laser. Il reste donc aux chercheurs à résoudre cette problématique pour faire du laser tout silicium une technologie permettant une utilisation courante et en faire une véritable rupture technologique dans le domaine du laser.

   L'avenir du laser Raman avec les cristaux photoniques à base de siicium

     Les cristaux photoniques sont des structures diélectriques, artificielles et périodiques dans plusieurs directions de l'espace. Ils permettent un contrôle accru de la lumière notamment grâce à l'existence d'une bande interdite photonique, c'est-à-dire d'une plage de fréquence où ils interdisent la propagation de la lumière.

     En utilisant les outils de lithographie électronique et de gravure de la centrale de technologie de l'IEF, les chercheurs de l'IEF ont fabriqué des cavités à cristaux photoniques en silicium capables de piéger la lumière pendant des durées de l'ordre de la nanoseconde. La cavité est constituée par un ensemble de trous décalés dans un guide à cristal photonique (voir figure). Le décalage des trous pouvant être inférieur à 3 nm, il nécessite des moyens en nanotechnologie ultra-performants.

     Les cavités à cristaux photoniques en silicium présentent des facteurs de qualité records à l'état de l'art, supérieurs à 2 millions. Pour de telles cavités, qui fonctionnent pour des longueurs d'onde proches de 1,55 µm, le temps de vie des photons piégés à l'intérieur de la cavité est supérieur à la nanoseconde.

     Ce résultat ouvre de nouvelles perspectives pour la réalisation de lasers ultra-compacts et sans seuil ou reposant sur des processus présentant un très faible gain, comme la diffusion Raman. Il permet aussi d'envisager la réalisation de filtres optiques très sélectifs en longueur d'onde (spectromètre sur " puce ") ou sensibles à des changements de leur environnement extérieur.