Study of a powerfull modeless laser for laser guide stars
Etude d’un Laser Sans Mode de puissance pour la production d’Etoiles Laser
Résumé
This thesis concerns the production of monochromatic laser guide star (LGS for "laser guide star”) or polychromatic (PLGS) using pulse lasers. This type of laser must overcome the problem of the saturation of the sodium atom. This problem was solved by the development of a laser called "Frequency Shifted Feedback" (or "Modeless") which, as we have shown, has the advantage of exciting all velicity classes of sodium atom, thus distributing the energy on all mesospheric atoms. We constructed a chain comprising a laser oscillator, an intra-cavity preamplifier and an amplifier delivering now an average power of 11 W (for an average pump power of 60 W) with pulses of 50 ns with a repetition rate of 10 kHz. Furthermore, radiation is spectrally broad (it covers the entire Doppler-hyperfine width of the atom transition) and without frequency hole, essential for efficient excitation of sodium transitions. The undeniable advantages offered by this laser system are many: 1) there are no electronics, 2) as the notion of mode hopping has not really make sense in our cavity, our laser is insensitive to parasitic vibrations as well as temperature fluctuations, 3) our laser system is very compact, 4) our LSM chain also has the huge advantage of being able to easily tune the wavelength to produce particular wavelengths 589, 569 and 660 nm for PLGS but also all other wavelengths for applications such as LIDAR, 5) another important point, its cost is low. This thesis will also have the opportunity to understand the behavior of an FSF laser (Frequency Shifted Feedback). The experimental characterization of this type of laser and the bibliography on the subject has allowed us to appreciate the complexity of such a cavity. Based on numerical models developed by the teams involved in the study of this type of laser (Yatsenko, Kowalski, Bergmann, Nakamura), we modeled our cavity in its various configurations (continuous oscillator, oscillator & intra-cavity preamplifier, pulse oscillator). Despite the approximations to simplify the resolution (spectral density of photons), the models reproduce well the experimental results. They may therefore be useful to further optimize the chain that we have developed, and an exploration effort on other media to gain or other cavity configurations.
Cette thèse concerne la production d’étoile lasers monochromatique (LGS pour « laser guide star ») ou polychromatique (PLGS) à l’aide de lasers en impulsions. Ce type de laser pose le problème de la saturation de l’atome de sodium. Cette problématique a été résolu par la mise au point d’un laser dit « Frequency Shifted Feedback » (ou « Modeless ») qui, comme nous l’avons démontré, a l’avantage d’exciter toutes les classes de vitesse de l’atome de sodium, répartissant ainsi l’énergie sur tous les atomes mésosphériques. Nous avons construit une chaine laser comportant un oscillateur, un préamplificateur intra-cavité et un amplificateur délivrant dès à présent une puissance moyenne de 11 W (pour une puissance moyenne de pompe de 60 W) avec des impulsions de 50 ns de largeur temporelle pour un fonctionnement à 10 kHz ; par ailleurs, le rayonnement est spectralement large (il couvre toute la largeur doppler-hyperfine de l’atome) et sans trou de fréquence, condition essentielle pour une excitation efficace des transitions du sodium. Les avantages indéniables que propose cette chaîne laser sont multiples : 1) il n’y a aucune électronique, 2) comme la notion de saut de mode n’a plus réellement de sens dans notre cavité, notre laser est insensible aux vibrations parasites ainsi qu’aux fluctuations de température, 3) notre chaîne laser est très compacte, 4) notre chaîne LSM a aussi l’énorme avantage de pouvoir s’accorder facilement en longueur d’onde pour produire notamment les longueurs d’onde 589, 569 et 660 nm pour les PLGS mais aussi toutes autres longueurs d’onde pour des applications comme le LIDAR, 5) autre point important, son coût est faible. Cette thèse aura aussi été l’occasion d’appréhender le comportement d’un laser FSF à décalage de fréquence intra-cavité. La caractérisation expérimentale du Laser Sans Mode, ainsi que la bibliographie concernant le sujet nous a permis d’apprécier la complexité d’une telle cavité. En se basant sur les modèles numériques développés par les équipes impliquées dans l’étude de ce type de laser (Yatsenko, Kowalski, Bergmann, Nakamura), nous avons modélisé notre cavité dans ses différentes configurations (oscillateur continu, oscillateur & pré-amplificateur intra-cavité, oscillateur impulsionnel). Malgré les approximations effectuées pour simplifier la résolution (raisonnement en densité spectrale de photons), les modèles parviennent à rendre compte de façon satisfaisante des résultats expérimentaux. Ils pourront donc s’avérer utiles pour continuer à optimiser la chaîne que nous avons développée, et dans un effort de prospection sur d’autres milieux à gain ou d’autres configurations de cavité.