c Etude de la puissance de sortie

Pour identifier la principale origine des pertes optiques dans la cavité, nous avons mesuré la courbe L-P en l’absence du filtre étalon et de la lame biréfringente, puis nous avons étudié l’effet de l’ajout de chacun de ces éléments dans la cavité sur la puissance de sortie du VECSEL.

La courbe L-P mesurée sans éléments intra-cavité est rapportée sur la Figure IV-26. Le seuil laser est atteint pour une densité de puissance de pompe incidente de 0.8 kW/cm². Une puissance de sortie de ~ 10 mW est obtenue pour une densité de puissance de pompe incidente de ~3.7 kW/cm². Nous constatons donc une chute de puissance de plus d’un facteur 2 en présence des éléments intra-cavité.

106 Figure IV-26: Courbe L-P du VECSEL en cavité simple (sans éléments intra cavité)

Pour identifier lequel des deux éléments intra-cavité représente la source la plus importante de pertes optiques, la caractéristique L-P a été mesurée en insérant uniquement l’étalon Fabry-Pérot. Les résultats obtenus sont rapportés sur la Figure IV-27. La courbe L-P est mesurée d’abord avec l’étalon placé le plus perpendiculairement possible par rapport à l’axe de la cavité, ensuite avec l’étalon tourné autour de son axe vertical, d’un angle estimé à 5 °.

Figure IV-27: Courbe L-P du VECSEL mesurée en présence de l'étalon en rotation et droit dans la

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La Figure IV-27 montre que les pertes optiques sont générées lorsque l’étalon est dévié de sa position perpendiculaire. Or tourner l’étalon nous permet de déplacer la position spectrale des pics de transmission de l’étalon et donc de sélectionner la longueur d’onde du laser, et de s’assurer que l’émission laser est bien monomode longitudinale. Pour diminuer les pertes causées par la rotation de l’étalon dans la cavité, il faudrait chercher un étalon ‘idéal’ qui permet d’obtenir une émission monomode longitudinale facilement sans rotation. Les caractéristiques de cet étalon seront discutées dans la partie IV.3 consacrée aux perspectives. Une autre source possible de pertes est la lame YVO4. Nous avons donc mesuré la courbe L-P du VECSEL avec uniquement la lame YVO4 dans la cavité. Les résultats obtenus sont représentés sur la Figure IV-28. Lorsque la lame YVO₄ est placée le plus perpendiculairement possible à l’axe de la cavité, nous observons qu’elle génère peu de pertes : le seuil laser et la puissance maximale émise sont proches des valeurs mesurées sans éléments intra-cavité, et ils dépendent peu de l’épaisseur de la lame. La rotation de la lame biréfringente autour de son axe vertical augmente le seuil et réduit légèrement la puissance de sortie : néanmoins l’effet est beaucoup moins important que dans le cas de l’étalon Fabry-Pérot, même pour un angle de rotation de 9°.

Figure IV-28: Variation de la puissance de sortie pour différents angles et épaisseurs de la lame

YVO4

En conclusion, la lame YVO4 même si elle est en rotation dans la cavité, elle n’ajoute que peu de pertes intra cavité, et l’étalon constitue la principale source de pertes en particulier lorsqu’il est en rotation.

Finalement nous avons étudié l’effet de la réflectivité du miroir de sortie sur la caractéristique L-P du VECSEL. Le rendement du laser et la puissance de sortie maximale dépendent des pertes optiques totales et donc de la réflectivité du miroir [1]. D’un côté le rendement du laser diminue si la réflectivité du miroir est très élevée et donc la puissance maximum est réduite. D’un autre côté, le seuil du laser va augmenter si la réflectivité du miroir devient trop faible et la puissance maximale émise sera aussi réduite. Il existe donc une valeur de réflectivité

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optimale pour laquelle la puissance maximale émise est la plus élevée. Dans notre cas, nous avons choisi a priori un miroir de cavité de réflectivité élevée pour être certains que les pertes cumulées du miroir et des éléments intra-cavité ne conduiraient pas à une augmentation trop importante du seuil laser. Comme nous venons de le voir, les pertes intra-cavités restent modérées. Il est donc intéressant de vérifier si la modification de la réflectivité du miroir peut améliorer la puissance de sortie du VECSEL.

Nous avons comparé les puissances de sorties obtenues avec trois miroirs (R2, R3 et R4), avec celle obtenue avec notre miroir actuel R1. Ces tests sont effectués sans éléments intra-cavité. Le rayon de mode est fixe pendant les expériences, ω0~ 40 µm, et le rayon de pompage est fixé à 87 μm. Les rayons de courbures des miroirs ainsi que la longueur de cavité nécessaire pour l’obtention d’un rayon de mode ω₀~ 40 µm, ont été donnés dans le tableau IV-2.

Les caractéristiques L-P obtenues sont rapportées sur la Figure IV-29. Nous concluons que la puissance du VECSEL peut facilement être multipliée par un facteur 4 en choisissant la réflectivité convenable du miroir de sortie. En tenant compte d’une chute de la puissance de sortie d’un facteur ~2 avec l’insertion des éléments intra-cavités, nous pouvons estimer que une puissance de sortie de plus de 50 mW pourra être obtenue en émission bi-fréquence avec le VECSEL à 1.5 µm, ce qui correspond aux spécifications visées pour un capteur Brillouin.

Figure IV-29: Puissances de sorties en cavité simple pour différentes valeurs de réflectivité du miroir

de sortie

Pour finir, nous pouvons comparer ces résultats avec ceux obtenus par F.A.Camargo et al. pour un VECSEL en GaAs émettant vers 856 nm [2]. Dans leurs expériences, le miroir de sortie utilisé avait un rayon de courbure R_OC= 25 mm et une réflectivité de 99.5%. Avec l’insertion de l’étalon dans la cavité, la puissance de sortie a diminué d’un facteur de 1.3. La puissance de sortie a chuté d’un facteur de 2.4 par rapport à la puissance de sortie initiale après l’insertion de la lame YVO₄. Dans notre cas l’insertion de la lame biréfringente n’a pas ajouté des pertes intra cavité, ce qui indique que la lame YVO4 est bien adaptée à la longueur d’onde 1550 nm, mais l’étalon reste une source potentielle de pertes.

Nous avons aussi comparé le rendement quantique différentiel externe (η) de notre VECSEL avec le rendement quantique rapporté par F.A.Camargo et al. La formule de (η) est donnée par

:

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η

le rendement quantique externe du laser bi-fréquence émettant autour de 856 nm à une température de 15°C est de l’ordre de η =0.08, alors que le rendement quantique externe de notre laser bi-fréquence (avec le miroir R1) est de l’ordre de η=0.0052 à une température de 20°C. Sachant que nous pouvons augmenter le rendement de notre laser d’un facteur de 4 en remplaçant notre miroir de sortie R1 ayant un coefficient de réflectivité de 99.7% par un autre ayant un coefficient de réflectivité de 99% et aussi que le rendement serait augmenté d’un facteur de 2 en utilisant un étalon ‘idéal’ nous pouvons considérer que un rendement de l’ordre de η=0.04 est possible. Cette valeur de rendement est très proche de celle atteinte par le LAC [3], qui a utilisé une structure VECSEL similaire à la nôtre : avec un miroir de réflectivité nominale 99.4%, ils ont obtenu un rendement η=0.06 , la température du VECSEL étant fixée à 20°C. Par ailleurs il faut rappeler que nos premières expériences ont été effectuées avec un spot de pompe large. Or il est peut-être possible de maintenir l’émission bi-fréquence en diminuant la taille du spot de pompage, ce qui augmentera aussi le rendement externe du VECSEL.