Chapitre II « Buffer Reservoir » dans les lasers mono-fréquence
II. 4. d Conclusion
Au final, nous montrons que l’insertion du SHGA, tout comme le TPA, peut être utilisé comme un « buffer reservoir » pourvu que son efficacité soit faible. Il offre donc un moyen supplémentaire de réaliser des lasers auto-régulés en bruit d’intensité. D’un point de vue pratique, l’emploi de SHGA présente de nombreux avantages par rapport au TPA. Notamment, il ouvre des perspectives à une large gamme de longueurs d’ondes d’émission laser. De plus, le SHGA offre de façon inhérente une bande-passante de réduction de bruit large et ne requiert plus la recherche d’un matériau semi-conducteur dont le temps de réponse est court. Comparé au TPA, l’implémentation du cristal dans la cavité n’augmente pas sa complexité. En effet, bien que l’accord de phase critique soit sensible à l’angle d’incidence du faisceau laser dans le cristal, les
72 efficacités de conversion requises sont faibles. Ainsi, le désalignement éventuel entre le faisceau fondamental et le cristal n’influence pas de façon significative la réduction du bruit d’intensité. Enfin, le faisceau doublé en fréquence nous donne un moyen en temps de sonder le fonctionnement et l’efficacité du « buffer reservoir ». Nous avons ainsi pu apporter une confirmation expérimentale que la réduction de bruit est bel et bien liée à un changement de la dynamique du laser.
II. 5. Conclusion du chapitre
Nous avons vu dans ce chapitre comment l’insertion d’un mécanisme d’absorption non-linéaire dans la cavité permettait de réduire les bruits d’intensité résonants d’un laser à état solide mono-fréquence. En introduisant un processus d’absorption à deux photons à l’aide d’une lame de Si dans un laser Er,Yb :verre, nous avons obtenu une réduction de 33 dB du pic de bruit à la fréquence des oscillations de relaxation. Ce pic subit toutefois un décalage vers les hautes fréquences signant une réduction de bruit non optimale. Pour expliquer ce comportement, nous avons développé un modèle théorique. Nous avons montré qu’il était nécessaire d’inclure une nouvelle équation d’évolution relative aux pertes non-linéaires introduites dans le système. En particulier, nous avons mis en évidence que le temps de réponse du TPA, limité par le temps de recombinaison des porteurs, jouait un rôle majeur. Si ce temps de recombinaison n’est pas suffisamment rapide, le modèle prédit que la réduction de bruit est accompagnée d’un décalage en fréquence des oscillations de relaxation. Les résultats issus de la modélisation reproduisent ainsi fidèlement le comportement expérimental. Au contraire, si le temps de réponse du mécanisme non-linéaire est largement inférieur au temps caractéristique des fluctuations, l’efficacité de la réduction de bruit augmente. Nous l’avons confirmé en insérant une lame de GaAs pour laquelle le temps de recombinaison des porteurs est de l’ordre de la ns. Grâce à cette optimisation, nous avons diminué de 50 dB le pic de bruit à la fréquence des oscillations de relaxation. Le très bon accord entre les résultats expérimentaux et théoriques ont permis de valider le modèle à trois équations d’évolution. Au regard de ces équations, les pertes non-linéaires peuvent ainsi être considérées comme un troisième réservoir de population, en plus de celui des photons et de l’inversion de population. Ce nouveau réservoir agit comme un tampon, un « buffer reservoir », en venant briser l’échange résonant entre l’inversion de population et les photons, échange responsable des oscillations de relaxation. L’approche « buffer reservoir » permet ainsi de réduire l’excès de bruit d’intensité d’un laser à état solide bien mieux que toutes les autres approches. En effet, outre l’amortissement de 50 dB du bruit à la fréquence des oscillations de relaxation, nous avons réussi à supprimer l’excès de bruit dans la gamme du GHz lié aux battements entre l’émission spontanée amplifiée aux résonances de la
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cavité laser et le mode oscillant. D’autre part, nous avons montré que l’insertion du TPA n’entraine pas d’augmentation de la largeur de raie du laser solide.
De plus, l’approche « buffer reservoir » s’avère être exploitable sur différents type de lasers et à différentes longueurs d’onde d’émission. Nous avons ainsi pu démontrer que l’insertion d’un mécanisme de « buffer reservoir » dans un VECSEL classe A améliorait significativement ses caractéristiques faible bruit. En particulier, le TPA permet de réduire les bruits de battement à haute fréquence tout en conservant la dynamique classe A du laser.
L’universalité de l’approche a pu être validée. Nous avons en effet prouvé que de l’absorption apportée par génération de seconde harmonique était en mesure de jouer le rôle d’un « buffer reservoir » dans le laser. En raison du large choix de cristaux non-linéaires, cette alternative est exploitable à différentes longueurs d’onde d’émission laser. Nous avons pu le démontrer avec un laser Nd:YAG émettant à 1064 nm. De plus, le SHGA offre de façon inhérente une large bande-passante de réduction de bruit. Avec une efficacité de conversion inférieure à 0,1 %, nous avons obtenu une réduction importante du bruit d’intensité à la fréquence des oscillations de relaxation et également du bruit lié aux battements dans la gamme du GHz.
L’utilisation de SHGA nous a en outre permis de valider expérimentalement que le bruit du laser n’était pas évacué par le « buffer reservoir » mais que ce dernier modifiait en profondeur la dynamique du laser. La réduction de bruit n’est qu’une conséquence de cette modification de dynamique. Le laser n’est donc plus de classe B puisqu’il ne présente plus d’oscillation de relaxation et qu’il est régi par trois réservoirs de population. Il n’est pas non plus classe A car physiquement le temps de vie d’inversion de population reste supérieur à celui des photons dans la cavité.
L’approche « buffer reservoir » est de manière générale très attractive puisqu’elle est extrêmement facile à mettre en œuvre expérimentalement. Elle est compacte et réduit de façon passive le bruit d’intensité à des niveaux bien inférieurs aux techniques habituelles. Son utilisation au sein de lasers solides ouvre de nombreuses perspectives pour des applications contraignantes telles que la métrologie, les horloges atomiques ou encore pour la photonique micro-onde. Nous avons montré par exemple dans ce chapitre que l’utilisation d’un laser solide avec TPA pour la distribution d’un oscillateur local améliorait considérablement la qualité du signal de référence transmis sur porteuse optique. Le bruit d’intensité du laser qui est habituellement reporté autour du signal de référence micro-onde est complétement supprimé que ce soit sur le spectre de puissance ou de phase du signal.
74 Dans ce contexte, nous pouvons nous demander si cette approche peut être étendue aux lasers bi-fréquences à état solide. En effet, ces lasers présentent un grand intérêt pour la génération de battement hautes fréquences (GHz, THz) stable sur porteuse optique. Ceci est l’objet du chapitre suivant.