« Buffer Reservoir » dans les lasers mono-fréquence

Une des approches les plus performantes pour s’affranchir de l’excès de bruit repose sur le changement de dynamique du laser. Comme il fut montré dans le cas des lasers de classe A, cette solution est compacte et passive puisqu’elle ne nécessite pas d’élément externe au laser et permet d’annuler de façon inhérente les oscillations de relaxation. Néanmoins, cette solution n’est pas applicable aux lasers à état solide en raison du temps de vie de l’inversion de population typique de l’ordre de la µs qui demanderait des cavités longues de plusieurs kilomètres pour se placer dans un régime classe A. Plusieurs études ont toutefois montré que l’insertion d’un mécanisme non-linéaire au sein de la cavité d’un laser à état solide permettait de réduire le spiking [91–93]. Ce phénomène de spiking est dû à l’échange résonant entre l’inversion de population et la population de photons et a donc la même origine que le bruit résonant d’intensité visible sur les spectres de bruit du laser. En effet, le bruit d’intensité à la fréquence des oscillations de relaxation n’est rien d’autre qu’un phénomène de spiking auto- entretenu par les sources de bruits du laser (internes ou externes). Ces bruits viennent exciter la résonance du laser générant un excès de bruit d’intensité à la fréquence de résonance du laser. On peut donc envisager que l’insertion d’un mécanisme d’absorption non-linéaire puisse agir avec efficacité sur l’excès de bruit résonant d’intensité d’un laser de classe B.

Le groupe de Van Leeuwen a pu observer en 2008 une telle réduction au sein d’un laser Er,Yb à émission continue [94]. Cette observation, pourtant prometteuse, n’a pas suscité de travaux supplémentaires. Nous aborderons dans ce chapitre l’analyse complète de la réduction du bruit d’intensité en excès en utilisant un absorbant non-linéaire au sein de différents lasers solides. Le but de ce chapitre est notamment de proposer une nouvelle approche qui se veut passive, compacte et universelle pour la réalisation de laser solide faible bruit. Nous mettrons en évidence l’efficacité et les conditions d’implémentations de cette méthode. Un point essentiel sera de décrire avec précision comment les pertes non-linéaires agissent dans le laser. En effet, aucune étude n’a pour l’instant proposé de développement théorique complet de l’action de l’absorbant non-linéaire pour un état stationnaire du laser. Nous verrons que l’insertion de pertes non-linéaires modérées engendre une rupture de la dynamique classe B du laser.Dans la première partie, nous analyserons l’effet de l’insertion d’un mécanisme d’absorption non-linéaire au sein d’un laser Er,Yb:verre. Apres avoir rappelé les propriétés de ce milieu actif, nous introduirons dans la cavité un processus d’absorption à deux photons (« Two-photon absorption » (TPA)) de faible efficacité et nous étudierons son influence sur les spectres de bruit d’intensité. Nous tenterons d’expliquer comment se comporte le laser en présence du mécanisme d’absorption non-linéaire. Pour ce faire, nous développerons un modèle rendant compte de l’introduction des pertes non-linéaires intra-cavité. Ce travail théorique nous permettra de mettre en évidence les éléments limitant la réduction de bruit et ainsi d’optimiser les effets du TPA. Nous montrerons que le TPA permet de réduire également les excès de bruit d’intensité présents dans la gamme du GHz, ces derniers étant provoqués par le battement entre le mode oscillant et l’émission spontanée amplifiée présent dans les modes adjacents. Après avoir montré que le TPA ne modifie pas le bruit de fréquence du laser, nous examinerons le possible apport d’un tel laser pour la distribution de signaux micro-onde de référence sur porteuse optique.

Dans la seconde partie, nous chercherons à montrer l’universalité de l’approche en l’appliquant au sein d’un laser VCSEL en cavité externe. Bien que ce laser soit dans un fonctionnement classe A et qu’il ne possède pas de bruit à la fréquence des oscillations de relaxation, nous montrerons qu’il est possible de réduire le bruit à haute fréquence. Le TPA réduisant ces fluctuations dans le dernier cas, nous vérifierons si ce résultat peut être obtenu dans le cas d’un laser classe A. Nous prêterons attention au fait que l’insertion de l’absorption non-linéaire ne dégrade pas la dynamique classe A avantageuse en terme de bruit d’intensité. Enfin, dans la dernière partie, nous porterons notre étude sur le remplacement du TPA utilisé pour la régulation d’intensité du laser par un processus d’absorption engendré par génération de seconde harmonique (« Second Harmonic Generation Absorption » (SHGA)). Comme nous le décrirons, ce dernier mécanisme possède de nombreux avantages en comparaison au TPA. Nous pouvons d’ores et déjà citer le fait que notre approche pourra être exploitée sur une large gamme de longueur d’onde d’émission laser. Nous mènerons cette étude dans un laser Nd:YAG. Au-delà de l’aspect applicatif, nous verrons que l’utilisation de SHGA va nous permettre de trancher sur l’origine de la réduction du bruit et ainsi conforter les prédictions de notre approche théorique.