Laser en anneau ré-injecté par un miroir externe

Principe Nous présentons ici une des méthodes les plus simples pour obtenir ou plutôt, pour améliorer l’unidirectionnalité des lasers en anneau (figure 6.18(a)). En effet, un miroir auxilliaire externe (figure 6.18(b)) réfléchit une partie de l’onde que nous nommerons (_{−) (pour la propaga-} tion dans le sens contraire des aiguilles d’une montre) dans la direction (+) (c.-à-d. dans le sens des aiguilles d’une montre).

Si cette cavité tente d’osciller dans la direction (_{−), le signal réfléchi par le miroir externe} servira comme un signal injecté pour la direction (+), conduisant à une oscillation beaucoup plus

140 6. Laser Nd:YLF monomode longitudinal

( + ) ( - )

(a) Laser en anneau

( - )

( + ) (b) Laser en anneau avec miroir externe

( + ) ( - ) ( + )

(c) Diagramme conceptuel du laser en anneau avec miroir externe

FIG. 6.18 – (a) Laser en anneau bi-directionnel, (b) cavité en anneau avec un miroir de couplage unidi-

rectionnel d’après [43], (c) diagramme conceptuel de la cavité en anneau avec le miroir de couplage unidirectionnel.

forte dans cette direction.

Cette technique fonctionne grossièrement et seulement dans quelques situations. Par exemple, dans le cas des lasers à élargissement inhomogène, cette méthode ne marche pas du tout, surtout quand le mode longitudinal le plus proche du centre de la cavité en anneau n’est pas au centre de la courbe de gain. Dans cette situation l’anneau peut osciller avec des intensités égales dans les deux directions, et peut aussi osciller dans plusieurs modes longitudinaux. Ce schéma est, aussi, sensible aux effets de rétrodiffraction (voir § 6.2.1) à l’intérieur de la cavité, qui peuvent interagir interférométriquement avec le miroir externe. Cette technique est alors inadaptée lorsque la rétrodiffraction est prise en compte. Par contre, si le milieu laser est à élargissement homogène, l’oscillation (+) désirée, croît au dépend de l’oscillation (_{−). Cependant, en régime permanent} l’oscillation (_{−) n’est pas entièrement éteinte. Elle agit comme un signal d’injection de faible} amplitude pour forcer l’oscillation (+).

L’analyse des fréquences résonantes de ce type de laser a été réalisée par FAXVOG[125]. Les modes d’une cavité en anneau sont donnés parνq = qc/d, où νq est la fréquence du qe mode et

d le périmètre de la cavité (figure 6.18(a)). Nous pouvons dessiner une cavité équivalente qui est

montrée sur la figure 6.18(c). Dans ce diagramme, la cavité(+) est séparée de la cavité (_{−). Cette}

cavité équivalente montre clairement que le miroir de couplage unidirectionnel n’a pas d’influence directe sur les modes de la cavité à trois miroirs. Les modes pour les deux directions (+) et (−)

sont identiques, puisqu’ils sont déterminés par les mêmes trois miroirs. Les modes de la cavité vide pour le laser avec un miroir externe s’écrit aussi :

νq= qc/d. (6.7)

Finalement, les modes du laser en anneau avec ou sans miroir externe sont les mêmes. Cette tech- nique ne donne donc pas en pratique un laser mono-fréquence, mais permet de rendre le résonateur quasi-unidirectionnel grâce à l’intensité beaucoup plus élevée dans le sens (+) que dans le sens (_{−). Le miroir externe n’influence pas les fréquences auxquelles cette cavité oscille, il détermine,}

cependant, la phase entre les ondes (_{−) et (+) dans l’anneau. L’analyse faite ici sur les propriétés} des modes sera aussi valable pour le laser en anneau étudié dans la prochaine section.

Réalisation La cavité que nous avons utilisée pour confirmer les propriétés de ce type de laser est illustrée sur la figure 6.19. Un filtre optique : étalon de 0,3 mm d’épaisseur avec un traitement réféchissant 20 % de 1,3µm, est insérée dans la cavité avec un étalon de 0,1 mm d’épaisseur. Cet

142 6. Laser Nd:YLF monomode longitudinal

à trois modes. Au-delà de 3 modes, le régime chaotique lié aux battements de fréquence entre les modes ne permettent plus de distinguer correctement la structure modale.

Nd:YLF axe a, 0,7 % at. E R₁ R2 d₁ d d✁ d✂ T=2 % F.O. M_ext

FIG. 6.19 – Laser Nd:YLF (axe a, 0,7 % at.) en anneau avec un miroir Mextde couplage unidirectionnel.

d1 = 140 mm, d2 = d3 = 170 mm, d4 = 125 mm, R1 = R2 = 500 mm, T = 2 % est le

coupleur de sortie. Le miroirMexta un coefficient de réflexionR = 60 %, lorsque la structure

de mode, avec et sansMext, est identique. L’écart entre le coupleur de sortie etMextpeut être

quelconque à partir du moment où le mode retournant dans le résonateur soit suffisamment adapté avec celui du laser. F.O. : filtre optique (étalon de 0,3 mm d’épaisseur avec traitement R = 0,10).

Nous avons ainsi reporté des rapports d’intensité situés dans la gamme de 2:5 à 10:1, suivant

la valeur du coefficient de couplage. Le rapport le plus élevé correspond au cas d’une intensité faible du signal ré-injecté dans la cavité laser. Nous avons utilisé pour cela un coefficient de ré- flexion pour le miroir externe égale à 60 %. La puissance laser dans la voie (+) (la flèche sur la

figure 6.19) est environ deux fois plus élevée que celle obtenue pour l’anneau sans Mext. L’ali-

gnenment du 4emiroir n’a pas besoin d’être précis, c.-à-d. que le couplage avec la cavité n’est pas interférométrique.

Nous analysons maintenant les modes du laser en anneau en présence d’un miroir externe. Lorsque le coefficient de couplage est élevé (c.-à-d. pour une grande puissance ré-injectée) le nombre de modes longitudinaux (observé sur un interféromètre Fabry Perot confocal) est multiplié par deux. Le faisceau ré-injecté est dans ce cas seulement amplifié par le résonateur.7 _{Ainsi, les} fluctuations d’intensité sont élevées et le spectre présente un caractère chaotique. En revanche, si

nous diminuons progressivement le coefficient de couplage (c.-à-d. en augmentant la transmission du miroir externe, par exemple) jusqu’à une certaine valeur, la structure des modes longitudinaux tend peu à peu vers celle correspondant à la cavité en anneau en l’absence du miroir externe. La figure 6.20 montre le spectre modal de la cavité avecMext qui est identique à celle de l’anneau

sans miroir externe. Ceci est toujours réalisé pour un coefficient du miroir Mext égale à 60 %.

Ainsi, la présence d’une onde oscillant dans la direction (_{−) même de faible intensité, implique} une compétition de gain entre les modes (+) et (_{−). Le spatial hole burning est toujours présent et}

le laser reste multimode.

FIG. 6.20 – Structure des modes longitudinaux du laser en anneau avec le miroir externeMext(R = 0,6),

parfaitement identique à celle du laser sans le miroirMext.

6.2.6.2 Principe de la Cavité en Anneau avec la Diode Optique à l’Extérieur du Résonateur :