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Laser plan–concave en configuration microchip

Dans cette partie, nous considérons une configuration de cavité très courte de manière à

diminuer le waist de cavité afin d’atteindre une situation de pompage gros où wp > w

0

. Nous

allons voir que ce type de configuration est favorable à l’apparition d’états stationnaires constitués

de plusieurs modes transverses oscillant à des fréquences différentes. Nous verrons également

que certains profils en intensité semblent présenter des vortex, bien qu’on ne puisse pas parler

rigoureusement de vortex puisque pris indépendamment aucun des modes transverses constituant

l’état stationnaire ne possède de singularité de phase.

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3.2.1 Montage et observations expérimentales

Le montage considéré est identique à celui de la figure 3.1 à la différence que la longueur de

cavité est fixée à 4 mm, conduisant à unwaist w

0

= 97µm. De plus, nous utilisons cette fois-ci

au choix deux jeux de lentilles de collimation et de focalisation conduisant à des grandissements

de la pompeγ = 1/2 ouγ = 1. La pompe que nous utilisons est toujours la même, à savoir une

diode laser fibrée de diamètre de fibre= 120µm. Cette configuration correspond bien entendu

à une situation de cavité non–dégénérée dans laquelle nous nous attendons à observer des profils

transverses invariants de forme par propagation.

Dans ce type de configuration, certains auteurs ont observé des structures transverses

ressem-blant à des réseaux de vortex invariants de forme par propagation [94, 95, 96], même si l’origine

de ces observations est souvent mal comprise. Afin de reproduire certaines de ces observations

expérimentales, nous sommes contraints d’autoriser un maximum de degrés de liberté

concer-nant le pompage, à savoir l’inclinaison de la pompe, sa translation ainsi que sa défocalisation par

rapport au waist optimal dans le milieu actif. Ainsi, il est impossible de dire que nous

contrô-lons parfaitement nos paramètres expérimentaux, et nous pensons qu’il en est nécessairement

de même pour les expériences citées ci-dessus. Après de nombreux tâtonnements, pour un

gran-dissement de la pompeγ = 1/2, nous parvenons à observer expérimentalement des réseaux de

vortex dont quelques-uns sont recensés sur la figure 3.19. Sur cette figure, nous avons reporté à

la fois le profil d’intensité observé au seuil de l’oscillation laser ainsi que celui observé bien au

dessus du seuil, dans différentes configurations de pompage.

La première chose que nous remarquons est que le mode observé au seuil va déterminer en

partie le type de réseau de vortex qu’il va être possible d’observer en pompage plus intense.

En effet, ce mode semble toujours être présent dans l’état stationnaire multimode obtenu bien

au dessus du seuil de l’oscillation laser. Ainsi, nous n’avons par exemple jamais pu mettre en

évidence une situation dans laquelle le mode fondamental gaussien est observé au seuil et se

trouve chassé par d’autres modes d’ordre supérieur en augmentant la puissance de pompe. La

seconde chose que l’on peut également remarquer est qu’il semble impossible d’observer un réseau

de vortex au seuil de l’oscillation laser. En effet, à chaque fois que nous avons observé un réseau

de vortex, nous avons toujours réussi à observer un mode de base contenant des lignes nodales en

baissant suffisamment la puissance de pompe. L’apparition de ces profils transverses multimodes

ne peut donc pas être expliqué par le régime de gain linéaire du laser, et nécessite absolument

l’intervention de la saturation du gain. Ceci tend à confirmer la vision que nous avons développé

au chapitre 2 concernant l’ordre d’apparition des modes déterminé par le régime linéaire et

l’apparition d’un nouveau mode intervenant uniquement après la saturation des modes déjà

présents.

Nous avons également réalisé quelques expériences en utilisant un grandissement γ = 1 de

la pompe en sortie de fibre, conduisant à une taille de pompe dans le milieu actif environ deux

fois plus grande que précédemment. Lorsque la pompe est suffisamment bien alignée avec l’axe

optique, on observe tout de même une sorte depattern représenté sur la figure 3.20. L’observation

d’un mode fondamental gaussien au seuil témoigne bien d’un centrage relativement bon de la

pompe.

Figure 3.19 – Profils d’intensité observés au seuil du laser en pompage gros, ainsi que des

réseaux de vortex observés lorsque la puissance de pompe Ppompe dépasse la puissance de seuil

P

th

. Le grandissement de la pompe est γ = 1/2.

L’observation réalisée sur la figure 3.20 n’est pas sans rappeler les observations expérimentales

de Dangoisse, Louvergneux et coll. dans un laser à CO

2

[97, 98]. Toutefois, à la différence de

leurs expériences, nous observons toujours le mode fondamental gaussien initial dans le profil

d’intensité multimode du laser. La différence majeure entre les structures que nous observons

et celles de l’article [98] est que ces dernières sont en réalité non stationnaires. L’hypothèse

simplificatrice concernant l’ordre d’apparition des modes que nous avons effectué précédemment

ne semble donc pas s’appliquer dans le cas des lasers à gaz dans lesquels la dynamique des modes

transverses semble plus complexe.

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Figure3.20 – Profil d’intensité observé au seuil du laser en pompage gros, et lorsque la puissance

de pompeP

pompe

dépasse la puissance de seuil P

th

. Le grandissement de la pompe est γ= 1.

3.2.2 Discussion

Nous avons tenté de reproduire par la simulation Fox–Li multimode des résultats semblables

aux observations des figures 3.19 et 3.20, en y introduisant uniquement la notion de pompage

gros et incliné par rapport à l’axe optique. Malheureusement nous n’avons jamais réussi à

ob-server de tels réseaux de vortex. Ceci n’est pas si étonnant étant donné le temps nécessaire qu’il

faut passer sur l’expérience à effectuer des réglages fins et difficilement reproductibles pour

ob-server des modes présentant des vortex bien visibles, qui ne soient pas recouverts par des modes

transverses supplémentaires. La seule manière de reproduire par la simulation les expériences

réalisées serait de construire un profil de pompe sur mesure, ce qui ne fait absolument pas partie

de nos motivations concernant la compréhension générale de la formation des modes transverses

stationnaires dans un laser.

Toutefois, il est assez facile de reconstruire les modes observés sur la figure 3.19 à l’aide de

modes usuels sommés en intensité, comme le montre la figure 3.21. Ceci montre bien que le

mode apparaissant au seuil sur la figure 3.19 est effectivement toujours présent dans le mode

stationnaire final.

Une question se pose toutefois concernant la raison de l’apparition de ces vortex. Il est évident

que deux modes possédant des lignes nodales que l’on superpose en intensité possèdera des zéros

d’intensité aux positions où les lignes nodales se croisent. Cependant, pour que ces zéros soient

bien visibles, il est nécessaire que les lignes nodales des modes mis en jeu se croisent à des

endroits où leur intensité est suffisament importante. Nous avons du mal à imaginer comment

cela pourrait se produire avec un profil de pompe régulier, même incliné ou excentré par rapport

à l’axe optique. Nous pensons en réalité que les irrégularités de la pompe mises en évidence sur

la figure 3.2 (a) jouent en la faveur de l’apparition de ces vortex. En effet, ces irrégularités sont

d’autant plus importantes que la pompe est défocalisée et nous pensons qu’un profil de pompe

possédant plusieurs maxima et minima locaux peut tout à fait imposer la position des zéros

d’intensité du profil multimode. Cette hypothèse semble confirmée par l’utilisation d’une pompe

fibrée de diamètre= 400µmprésentant un profil beaucoup plus régulier pour laquelle de tels

Figure 3.21 – Reconstructions des profils d’intensité observés sur la figure 3.19 obtenues en

sommant les profils d’intensité de différents modes usuels.

vortex ne sont jamais observés.

Nous pensons donc que toutes les observations de profils transverses exotiques effectuées dans

des lasers solides pompés par diode, et même dans tout type de laser de manière générale, sont

à considérer avec beaucoup de précautions. Ils sont dans tous les cas probablement dûs à des

conditions aux limites non-maîtrisées comme des irrégularités du profil de pompe, des défauts de

traitement des faces des éléments optiques intracavité ou même des effets de diaphragme.

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