Étude théorique et expérimentale des lasers solides Er3+ et Nd3+ : applications des lasers bi-fréquences aux télécommunications optiques et hyperfréquences - TEL - Thèses en ligne
Theses Year : 2001

Theoretical and experimental study of Er3+ and Nd3+ solid-state lasers : applications of dual frequency lasers to optical and microwave telecommunications

Étude théorique et expérimentale des lasers solides Er3+ et Nd3+ : applications des lasers bi-fréquences aux télécommunications optiques et hyperfréquences

Abstract

Some new features of single- and dual-frequency rare-earth-doped solid-state lasers are explored. In particular, we have investigated Erbium in glass which is still a complex system but offers a wide gain spectral range. In this kind of lasers, the TEM00 Gaussian beam induces a resonant lens-like effect which leads, together with diffraction effects, to resonant losses, i.e., frequency dependant. This gives rise to anomalies in the basic characteristics of the laser such as the output power of a monomode laser or the spectrum of a multimode microchip-laser. Due to original experimental setups, the homogeneous line feature of these lasers has been explored via the measurement of non-linear coupling between two modes of the same laser. It turns out that this coupling is particularly high in the case of Erbium-doped-glass : C = 0.85 throughout the whole gain spectral range of the laser. However, the cross-saturation coefficients strongly depend upon the spectral localization of the two modes, showing the existence of spectral structures, which are not accessible with others usual spectroscopic methods. By controlling the coupling we have been able to built Er:Yb:Glass lasers with two widely tunable frequencies. Thus, a single-axis dual-frequency laser has been achieved to provide a beat-note in the GHz frequency range with a line-width of 1 Hz and of spectral qualities matching those of a local oscillator. Besides, the spatial separation of eigenstates of a Er:Yb:Glass laser allowed us to reach frequencies in the THz range. Moreover, we have demonstrated that the dual-axis architecture of such a laser automatically stabilize the beat-note when locking the frequency of one eigenstate only, leading to the concept of tunable-absolute frequency. The dynamics of rare-earth-doped solid-state lasers sustaining the oscillation of two eigenstates has been investigated. Among the new regimes predicted and then observed, a pulsed regime with high repetition rate and sech2 temporal profile is obtained without active or passive Q-switching. Finally, the polarization self-modulation is realized with circularly polarized eigenstates containing several longitudinal modes which demonstrates the universality of the mechanism studied.
Nous explorons quelques aspects nouveaux des lasers solides mono-fréquences et bi fréquences dopés aux terres rares. Nous nous intéressons notamment à l'erbium dans les systèmes complexes que sont les verres, mais qui présentent l'intérêt d'offrir une grande plage spectrale de gain. Tout d'abord, dans ce type de laser tout faisceau gaussien TEM00 induit un effet de lentille résonnant qui, associé à la diffraction, provoque des pertes résonnantes, c'est-à-dire dépendant de la fréquence. Ceci conduit à des anomalies dans les caractéristiques de base d'un laser, comme la puissance de sortie d'un laser monomode ou le spectre d'un microlaser multimode. Grâce à des montages originaux, nous avons pu explorer le caractère homogène de la raie de ce type de laser et en particulier mesurer le couplage non-linéaire entre deux modes d'un même laser solide. Ce couplage se révèle particulièrement élevé pour l'erbium dans un verre : C = 0,85 sur toute la plage spectrale d'oscillation du laser. En revanche, les termes de saturations croisées varient fortement avec la localisation spectrale des deux modes, mettant en évidence des structures spectrales inaccessibles par les méthodes de spectroscopie usuelles. La maîtrise du couplage a donné lieu à la réalisation de lasers Er:Yb:Verre à deux fréquences largement accordables. Ainsi, nous mettons au point un laser bi-fréquence mono axe dont la qualité spectrale du battement, de l'ordre de 1 Hz, est parfaitement adaptée pour réaliser un oscillateur local dans la gamme des GHz. En outre, la séparation spatiale des états propres d'un laser Er:Yb:Verre permet désormais d'atteindre des fréquences de battement dans la gamme des THz. Nous montrons, par ailleurs, que l'architecture bi-axe d'un tel laser permet d'auto-stabiliser la fréquence de battement en asservissant la fréquence d'un seul état propre, menant au concept de fréquence absolue-accordable. Le comportement dynamique des lasers à deux états propres dopés aux terres rares est également exploré. Parmi les nouveaux régimes prédits puis observés, un régime impulsionnel à haute cadence et à impulsions sécantes hyperboliques carrées est obtenu sans déclenchement actif ni passif. Enfin, nous réalisons l'auto-modulation de polarisation avec des états propres circulaires contenant chacun plusieurs modes longitudinaux prouvant l'universalité du mécanisme étudié.
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Cite

Mehdi Alouini. Étude théorique et expérimentale des lasers solides Er3+ et Nd3+ : applications des lasers bi-fréquences aux télécommunications optiques et hyperfréquences. Optique [physics.optics]. Université de Rennes 1, 2001. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01850679⟩
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