Syntonisation continue d'un laser à semi-conducteur à l'aide d'un réseau à période variable en cavité étendue simple PDF Download
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Book Description
Le présent projet vise principalement l'obtention d'une plage de syntonisation continue (soit sans saut de mode) aussi large que possible à partir d'un laser à semi-conducteur. Le phénomène de syntonisation continue n'est pas nouveau, mais la recherche reste active dans ce domaine puisque la simplification et l'amélioration des méthodes l'imposent comme une des solutions les plus prometteuses pour certaines applications dans le domaine des communications, comme l'encodage à large bande, et de la biosurveillance, comme le balayage de l'absorption spectrale aiguë d'une substance. La capacité d'ajuster la fréquence d'un signal monomode avec précision et sans restriction majeure restera, du moins pour un futur relativement rapproché, une idée attrayante pour l'industrie et pour la recherche pure. Évidemment, plusieurs techniques ont été développées et raffinées avec les années. Bien que n'étant conséquemment pas une assise à proprement parler, ce projet s'avère être un complément à la marche du progrès dans ce domaine. La veine principale des travaux de syntonisation continue se base sur les méthodes de déplacements angulaires conjugués ou non à un mouvement de translation d'un élément sélectif en longueur d'onde (typiquement un réseau à période fixe). Une autre branche a été exploitée par notre groupe de recherche, soit l'introduction de réseaux à période variable (dont la conception et la fabrication sont assurées par l'expertise de notre équipe) comme coupleurs externes d'un laser à semi-conducteur en cavité étendue. Des résultats récents ayant inspiré la viabilité de l'idée, notre groupe se penche présentement sur une optimisation du concept pour une utilisation simplifiée, plus compacte et systématisée. L'effet focalisant tangentiel de nos réseaux holographiques a été exploité pour réduire le nombre de composantes optiques nécessaires dans l'obtention d'une large plage de longueur d'onde syntonisable de façon continue.
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Le présent projet vise principalement l'obtention d'une plage de syntonisation continue (soit sans saut de mode) aussi large que possible à partir d'un laser à semi-conducteur. Le phénomène de syntonisation continue n'est pas nouveau, mais la recherche reste active dans ce domaine puisque la simplification et l'amélioration des méthodes l'imposent comme une des solutions les plus prometteuses pour certaines applications dans le domaine des communications, comme l'encodage à large bande, et de la biosurveillance, comme le balayage de l'absorption spectrale aiguë d'une substance. La capacité d'ajuster la fréquence d'un signal monomode avec précision et sans restriction majeure restera, du moins pour un futur relativement rapproché, une idée attrayante pour l'industrie et pour la recherche pure. Évidemment, plusieurs techniques ont été développées et raffinées avec les années. Bien que n'étant conséquemment pas une assise à proprement parler, ce projet s'avère être un complément à la marche du progrès dans ce domaine. La veine principale des travaux de syntonisation continue se base sur les méthodes de déplacements angulaires conjugués ou non à un mouvement de translation d'un élément sélectif en longueur d'onde (typiquement un réseau à période fixe). Une autre branche a été exploitée par notre groupe de recherche, soit l'introduction de réseaux à période variable (dont la conception et la fabrication sont assurées par l'expertise de notre équipe) comme coupleurs externes d'un laser à semi-conducteur en cavité étendue. Des résultats récents ayant inspiré la viabilité de l'idée, notre groupe se penche présentement sur une optimisation du concept pour une utilisation simplifiée, plus compacte et systématisée. L'effet focalisant tangentiel de nos réseaux holographiques a été exploité pour réduire le nombre de composantes optiques nécessaires dans l'obtention d'une large plage de longueur d'onde syntonisable de façon continue.
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Ce projet porte sur la syntonisation monomode et continue d'une diode laser par la translation dun réseau à période spatiale variable utilisé comme coupleur externe. Le projet se distingue des autres travaux portant sur la syntonisation continue et trouvés dans la littérature. Alors que l'approche des autres travaux consiste à rechercher une technique de déplacement du coupleur externe adaptée à une période spatiale constante du réseau, ici, le but est plutôt d'obtenir la syntonisation continue en adaptant la période spatiale du réseau à la technique simple de déplacement qu'est la translation. Le schéma utilisé emprunte la configuration de Littrow. Les composants optiques sont une diode laser, une lentille asphérique, une lentille cylindrique et un réseau de diffraction à période spatiale variable. Le schéma exploite donc le fait qu'une simple translation de ce type de réseau suffit pour effectuer la syntonisation. Les effets paraxiaux des composants optiques sur l'amplitude et sur la courbure du faisceau dans la cavité sont décrits. Une matrice optique originale est dérivée afin de décrire complètement l'effet paraxial du réseau. Les modes longitudinaux gaussiens astigmatiques soutenus par la cavité paraxiale sont déterminés et analysés. L'analyse de leur déphasage lors d'un tour complet dans la cavité permet de modéliser la syntonisation continue et de dériver une équation originale régissant la période spatiale idéale du réseau translaté, selon la configuration envisagée pour la cavité. Une fois la configuration déterminée, le réseau est produit par holographie et caractérisé dans nos laboratoires. La cavité est assemblée, puis les mesures expérimentales de syntonisation continue sont effectuées. Les résultats montrent que la simple translation du réseau à période spatiale variable dans la cavité étendue permet de syntoniser la longueur d'onde laser de façon monomode et continue sur plus d'une dizaine de nanometres. La plus grande étendue spectrale de syntonisation continue a atteint 66.1 nm (8.36 THz) aux alentours de la longueur d'onde de 1550 nm. Elle correspond à l'étendue de ~195 modes longitudinaux de la diode opérée seule. La puissance de sortie du laser a été maintenue autour de 3 mW sur toute cette étendue spectrale. Ce type de source trouve de multiples applications dans les domaines de la spectroscopie, des télécommunications et de la caractérisation optique.
Author: Michel de Labachelerie Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 286
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L'objet de cette thèse est l'étude d'un laser à semi-conducteur à "cavité étendue" (LCE) constitué d'une diode laser insérée dans une cavité externe spectralement sélective.de grande longueur.On obtient ainsi une source accordable continue dont les caractéristiques spectrales sont nettement meilleures que celles d'une diode laser ordinaire : la plage d'accord passe de quelques nanomètres à plusieurs dizaines de nanomètres et la largeur de raie, réduite d'un facteur mille, devient inférieure à 100 kHz.Dans la première partie, les notions de base concernant les diodes laser sont résumées et un des plus récents modèles de laser utilisant le formalisme de la matrice densité est particulièrement dé taillé ; ce cadre théorique est ensuite utilisé dans une étude simplifiée bruit de phase des diodes laser.Dans la deuxième partie, les différentes questions concernant les lasers à cavités étendues sont abordées, des méthodes de mesure sont développées et conduisent à une évaluation complète de leurs caractéristiques énergétiques et spectrales qui sont expliquées dans les grandes lignes en utilisant la première partie.Dans la troisième partie on s'intéresse à l'accordabilité continue sans sauts de mode qui est possible avec ce type de laser ainsi qu'à sa stabilisation de fréquence à long terme.On montre en conclusion que les résultats obtenus justifient la poursuite et diversification des recherches sur ce sujet.
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Les lasers accordables sur deux longueurs d'onde sont utilisés pour un vaste champ d'applications telles que la génération d'ondes térahertz, le multiplexage en longueur d'onde et la métrologie optique. Notre projet étudie l'accord sur deux longueurs d'onde d'un laser à semi-conducteurs utilisé en cavité externe avec un réseau de diffraction. Nous avons fabriqué des réseaux de diffraction qui permettent de réfléchir deux longueurs d'onde colinéairement, en configuration de Littrow. La fabrication de ces réseaux implique l'enregistrement d'un réseau à pas variable et d'un réseau à pas constant au mème endroit dans la résine photosensible. En utilisant ce type de réseau comme coupleur de la cavité externe d'une diode laser, nous avons obtenu une émission laser simultanée sur deux longueurs d'onde avec une séparation en longueur d'onde allant de 0.8 à 6.2 nm. La technique de fabrication de ces réseaux ainsi que les résultats expérimentaux obtenus avec une diode laser commerciale seront présentés.
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Ce travail consiste à optimiser un laser à semi-conducteurs (SC)à cavité étendue (LCE), émettant à 852 nm. Dans un LCE, on allonge la longueur de la cavité de la diode laser par une section externe spectralement sélective de quelques centimètres de long. On réalise ainsi une source laser de haute pureté spectrale, nettement meilleure que celle d'une diode ordinaire. La réduction de la largeur de raie est très efficace, elle passe de quelques MHz à des largeurs de raie inférieures à 100 kHz, et la plage d'accordabilité (discontinue) en longueur d'onde passe de quelques nm à une vingtaine de nm. La première partie de ce rapport sera consacrée à un rappel des notions de base utiles des lasers à semi-conducteurs, qui interviennent dans l'analyse des effets de feedback optique quand la diode laser sera couplée à une cavité externe, et à la description de la structure des lasers à cavité externe, en particulier, le LCE étudié. Dans la deuxième partie, après avoir présenté différentes méthodes et questions nécessaires pour mieux caractériser et optimiser les LCE, nous présentons une nouvelle structure géométrique des LCE, assurant l'alignement de la cavité à_long terme, avec la possibilité d'avoir un accord continu en fréquence sans saut de mode. Enfin, dans la troisième partie, nous concluons par des applications de ces sources laser dans les domaines de recherche qui intéressent le Laboratoire de l'Horloge Atomique. Mots clés: Diode laser, feedback optique, cavité étendue, pureté spectrale, auto-alignement, accordabilité continue, piège magnéto-optique, génération de l'harmonique 2.
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Bien qu'etant simplement une piece benigne, perdue dans l'immensite de la litterature academique des derniers siecles, ce livre aura ete redige avec autant de rigueur, de creativite et d'ambition que possible. Je me suis lance corps et ame dans la physique il y a de cela quelques annees et mon parcours m'aura appris au moins une chose: il est tout a fait possible de s'amuser avec cette science, la plus fondamentale a mes yeux. Mon but personnel a travers mon cursus universitaire restera donc de creer et de garder, sur les phenomenes physiques les plus complexes, un regard d'enfant. Melanger la rigueur essentielle a la profession et l'extravagance qui lui est absolument complementaire, voila donc mon audacieux mandat."
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LES LASERS A SEMI-CONDUCTEUR ONT CONNU UN DEVELOPPEMENT SPECTACULAIRE AU COURS DES CINQ DERNIERES ANNEES. UNE TECHNOLOGIE EST PARTICULIEREMENT DEVELOPPEE: ASGAAL A LA LONGUEUR D'ONDE 800NM POUR LE POMPAGE OPTIQUE DES LASERS SOLIDES. CETTE APPLICATION A MOTIVE LE DEVELOPPEMENT DES LASERS SEMI-CONDUCTEUR A CAVITE LARGE (RUBAN LARGE ET MULTI-RUBAN) DELIVRANT DE FORTES PUISSANCES (LE WATT CW). LES TECHNIQUES DE FABRICATION PERMETTANT D'ACCROITRE LA PUISSANCE DE CES SOURCES SACRIFIENT NEANMOINS LEUR PURETE SPATIALE ET SPECTRALE. EN EFFET, UN INCONVENIENT DES LASERS A CAVITE LARGE EST LEUR FAIBLE COHERENCE SPATIALE SE TRADUISANT NOTAMMENT PAR UNE EMISSION MULTIMODE DE DIVERGENCE ANGULAIRE IMPORTANTE. IL EST DONC NECESSAIRE D'ENVISAGER DES METHODES DE MISE EN FORME SPATIALE DES FAISCEAUX LASERS. PLUS GENERALEMENT, POUR LES SOURCES MULTI-LASER, LE CONCEPT DE MISE EN PHASE DE DIODES LASERS A VU LE JOUR POUR GARANTIR UNE EMISSION LASER DE PUISSANCE ELEVEE, UNE GRANDE QUALITE DE FAISCEAU AINSI QU'UN CONTROLE ANGULAIRE EVENTUEL. DANS CE CONTEXTE, L'OBJET DU TRAVAIL EXPERIMENTAL EST LA MISE EN UVRE DE TECHNIQUES ORIGINALES POUR REDUIRE LA DIVERGENCE ET LA LARGEUR SPECTRALE DES DIODES LASER. LA PREMIERE PARTIE DE L'ETUDE EST CONSACREE A L'ANALYSE SPATIALE ET SPECTRALE DES LASERS A SEMI-CONDUCTEUR DE PUISSANCE. LE FACTEUR M#2 EST INTRODUIT COMME CRITERE QUANTITATIF DE QUALITE D'UN FAISCEAU LASER MULTIMODE. L'ANALYSE FINE EXPERIMENTALE ET THEORIQUE DES MODES LATERAUX DES LASERS A CAVITE LARGE EST PROPOSEE. LA SECONDE PARTIE PRESENTE L'UTILISATION D'UNE CAVITE EXTERNE FERMEE PAR UN MIROIR PLAN OU UN RESEAU DE DIFFRACTION PERMETTANT DE FORCER L'OSCILLATION LASER SUR UN MODE LATERAL UNIQUE. NOUS ETENDONS CETTE TECHNIQUE A UNE MATRICE BIDIMENSIONNELLE DE LASERS, AFIN D'OBSERVER L'AUGMENTATION DE LA COHERENCE GLOBALE DE CETTE SOURCE. LA DERNIERE PARTIE PRESENTE UNE METHODE ORIGINALE DE FILTRAGE MODAL EN CAVITE EXTERNE FERMEE PAR UN MIROIR A CONJUGAISON DE PHASE REALISE DANS UN CRISTAL PHOTOREFRACTIF DE TITANATE DE BARYUM. CE DISPOSITIF AUTO-ADAPTATIF CONDUIT EGALEMENT A UNE EMISSION UNIMODALE POUR LE LASER A CAVITE LARGE ET A UN ACCROISSEMENT DE SA LUMINANCE D'UN FACTEUR 4,5. FINALEMENT, IL EST POSSIBLE DE REALISER DES SOURCES LASER A SEMI-CONDUCTEUR DE TYPE MOPA AVEC DOUBLE PASSAGE DANS LE MILIEU AMPLIFICATEUR ET REFLEXION SUR LE MIROIR A CONJUGAISON DE PHASE. CES SOURCES SONT A LA FOIS PUISSANTES, COHERENTES ET LIMITEES PAR DIFFRACTION
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Les OP-VECSELs (Optically Pumped Vertical External Cavity Semiconductor Lasers) sont des sources permettant d'obtenir des faisceaux circulaires de bonne qualité et de puissance élevée. De plus, la cavité externe permet d'envisager la réalisation de sources impulsionnelles par l'insertion d'un miroir à absorbant saturable (SESAM) dans la cavité et la mise en place d'un régime de blocage de modes passif. Ce travail de thèse a porté sur la réalisation et l'étude des OP-VECSEL, des SESAMs et des cavités optiques adaptés à la réalisation d'une source impulsionnelle à l,55 [mu]m. Le cœur de ce travail de thèse a consisté en la conception, la caractérisation, et l'obtention du fonctionnement laser en continu d'OP-VECSELs réalisés monolithiquement sur InP. La principale difficulté pour l'obtention de l'effet laser en continu a été la gestion de l'échauffement, particulièrement important lors du pompage optique des matériaux à l'accord de maille sur InP. L'effet laser à 1,55 [mu]m en pompage continu à température ambiante a cependant été obtenu, avec un seuil de 6 kW/cm^2, et une puissance de sortie de 4 mW à OʿC. Ce résultat est une première pour une structure OP- VECSEL monolithique sur InP émettant à 1,55 [mu]m. La réalisation d'une source impulsionnelle nécessite l'amélioration des propriétés thermiques des OP-VECSELs, et nous proposons de nouvelles structures satisfaisant à cette contrainte. La génération d'impulsions brèves à haut débit nécessite l'accélération de la dynamique de fonctionnement des SESAMs. Pour ce faire, nous proposons une méthode originale, consistant à placer le puits quantique jouant le rôle d'absorbant saturable très près de la surface du composant, pour bénéficier des recombinaisons rapides des porteurs sur les états de surface. Nous proposons également des configurations de cavités optiques compactes adaptées à l'obtention d'impulsions à un débit supérieur à 2 GHz.
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UNE NOUVELLE GENERATION DE SYSTEMES OPTIQUES BASEE SUR LA DETECTION COHERENTE EST EN TRAIN D'EMERGER. CES SYSTEMES NECESSITENT DES LASERS PERFORMANTS DE TYPE A CONTRE-REACTION DISTRIBUEE OU A CAVITE COMPOSITE. CETTE THESE PROPOSE UNE ETUDE THEORIQUE ET EXPERIMENTALE SUR LE BRUIT ET LA MODULATION DE CE TYPE DE LASERS. LA METHODE GENERALE BASEE SUR LA FONCTION DE GREEN, PERMETTANT DE DECRIRE LES PROPRIETES DE BRUIT ET DE MODULATION D'UN LASER A SEMI-CONDUCTEUR, EST GENERALISEE DANS LE CAS D'UNE STRUCTURE COMPLEXE. DEUX PARAMETRES TRES IMPORTANTS ONT ETE PARTICULIEREMENT ETUDIES. IL S'AGIT DU TAUX D'EMISSION SPONTANEE COUPLEE AU MODE ET DU FACTEUR DE COUPLAGE PHASE-AMPLITUDE EFFECTIF. A PARTIR DE CE MODELE THEORIQUE GENERAL, L'EXCES DE BRUIT D'EMISSION SPONTANEE POUR DIFFERENTES STRUCTURES DE LASERS EST MIS EN EVIDENCE. LA SENSIBILITE DE CE TYPE DE LASERS VIS-A-VIS DES REFLEXIONS EXTERNES EST DEFINIE DE MANIERE GENERALE. POUR DE LASERS A PLUSIEURS SECTIONS, IL EST MONTRE QUE LE TAUX D'EMISSION SPONTANEE COUPLEE AU MODE ET LE FACTEUR DE COUPLAGE PHASE-AMPLITUDE DEPENDENT DES CONDITIONS D'INJECTION DES COURANTS. UNE MODULATION PURE EN FREQUENCE OU EN AMPLITUDE PEUT ETRE OBTENUE EN CHOISISSANT UN TAUX APPROPRIE DE SEPARATION DES COURANTS DE MODULATION. LES BRUITS DE GRENAILLE ASSOCIES AUX PORTEURS CONDUISENT DANS CE CAS A UNE LARGEUR SPECTRALE NON NEGLIGEABLE. EN CE QUI CONCERNE LES RESULTATS EXPERIMENTAUX, UNE REDUCTION DU CHIRP ET UNE VARIATION DE L'AMORTISSEMENT DES OSCILLATIONS DE RELAXATION ONT ETE MISES EN EVIDENCE POUR UN LASER DFB SOUMIS A UNE CONTRE-REACTION OPTIQUE EXTERNE. CES RESULTATS SONT BIEN EXPLIQUES PAR LE MODELE DES EQUATIONS D'EVOLUTION GENERALISEES. LA SYNCHRONISATION D'UN LASER PAR INJECTION OPTIQUE SUR UNE BANDE LATERALE DE MODULATION EN FREQUENCE D'UN AUTRE LASER A ETE DEMONTREE EN UTILISANT DEUX LASERS DBR A DEUX ELECTRODES. UN LASER A CAVITE ETENDUE A ETE REALISE AU LABORATOIRE: UNE ACCORDABILITE DE 40 NM A ETE OBTENUE AUTOUR DE LA LONGUEUR D'ONDE 1,54 M; LA LARGEUR SPECTRALE A ETE REDUITE JUSQU'A UNE CENTAINE DE KILOHERTZ. CE LASER A ETE UTILISE DANS UN SYSTEME D'HETERODYNAGE. LES CARACTERISTIQUES EXPERIMENTALES D'UN LASER DBR A DEUX SECTIONS ONT ETE PRESENTEES. IL A ETE MONTRE NOTAMMENT, POUR LA PREMIERE FOIS, QUE LE BRUIT DU COURANT D'INJECTION DANS LA SECTION DE BRAGG INTRODUIT UNE LARGEUR SPECTRALE SUPPLEMENTAIRE IMPORTANTE. UNE ETUDE DE L'INFLUENCE DES EFFETS NON-LINEAIRES SUR LA LARGEUR SPECTRALE D'UN LASER DFB MONO-SECTION EST EGALEMENT PRESENTEE. IL EST MONTRE QUE LA SATURATION DU GAIN INTRABANDE CONDUIT A UNE AUGMENTATION DU FACTEUR DE COUPLAGE PHASE-AMPLITUDE. EN REVANCHE, LA SATURATION INHOMOGENE SPATIALE DE LA DENSITE DES PORTEURS A PEU DE CONSEQUENCES SUR LES PROPRIETES DYNAMIQUES ET SPECTRALES. PAR L'INTERMEDIAIRE DES EFFETS THERMIQUES ET DES EFFETS NON-LINEAIRES, LE BRUIT DE GRENAILLE DES PORTEURS ET LE BRUIT DU COURANT D'ALIMENTATION PEUVENT CONDUIRE, POUR CE TYPE DE STRUCTURE, A UNE LARGEUR SPECTRALE SUPPLEMENTAIRE.
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Cette thèse porte sur l'étude de la mise en phase de réseaux linéaires de lasers faiblement couplés, appliquée aux réseaux de lasers à semiconducteur et de microlasers à solide. La mise en phase d'un réseau de lasers constitue unmoyen de dépasser les limitations actuelles des sources laser unitaires et de créer un faisceau de forte intensité lumineuse, à la fois cohérent spatialement (faible divergence) et spectralement (synchronisation de l'émission du réseau sur une seule fréquence). Après une rapide présentation de la définition de mise en phase et des différents modèles développés à cet effet, le premier chapitre est consacré à l'établissement d'une méthodologie générale d'analyse des effets temporels de la mise en phase d'un réseau de lasers faiblement couplés. cette méthodologie repose sur les équations d'évolution couplées qui sont démontrées à partir des équations de Maxwell et de la théorie semiclassique appliquée au couplage faible de lasers. Puis ces considérations théoriques sont appliquées à l'étude de deux cas particuliers : la mise en phase d'un réseau de lasers à semiconducteur par cavité externe dans le deuxième chapitre et la mise en phase d'un réseau de microlasers à solide par champ évanescent dans le troisième chapitre.
Author: Denis Panneton
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Author: Gilles Fortin
Author: Michel de Labachelerie
Author: Véronique Zambon
Author: Mimoun Mezrhab
Author: Denis Panneton
Author: FREDERIC.. NAUDAN
Author: Clémentine Symonds
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