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Présentation

Cette thématique de recherche vise à comprendre différents aspects de la dynamique des lasers, avec une attention particulière portée aux lasers bi-polarisation. Nous nous intéressons aux comportements vectoriels des modes intracavité, que ce soit dans les lasers à semi-conducteurs, dans les lasers à fibre ou dans les lasers à solides dopés aux terres rares – type microchip pompé par diode ou lasers à verrouillage de modes émettant des peignes de fréquences. Ces études ont un intérêt fondamental, mais visent également des applications concrètes (par exemple de nouveaux protocoles de communication pour les spin-lasers ou la télémétrie dual-comb pour les lasers à peignes de fréquences), Ces études sont également en lien avec les travaux de l’équipe en Optique hyper-fréquence et TeraHertz et métrologie).

Fig.1 Une doctorante au travail avec son encadrant

Spin-lasers, lasers contrôlés par injection de spin électronique

Cette thématique est menée en étroite collaboration avec l’UMR CNRS/Thales et le LPN. Elle vise à utiliser l’injection de spin électronique pour contrôler les propriétés de polarisation d’un laser. Pour cela nous cherchons à tirer profit conjointement des propriétés dynamiques et vectorielles de lasers de type VCSEL afin d’exalter le basculement de polarisation induit par un changement du spin électronique du pompage même si ce dernier est très peu efficace. Nos modélisations théoriques ont permis de prédire l’architecture adéquate pour un tel laser. Nous venons ainsi d’observer expérimentalement le basculement de polarisation dans un laser à cavité étendue ouvrant la voie à de nombreuses perspectives en opto-spintronique.

Fig.2 Modèle de cavité à anisotropies localisées.

Peignes de fréquences à deux états de polarisation

Les états de polarisation des lasers à verrouillage de modes sont généralement imposés par le l’anisotropie du milieu actif, et le plus souvent un seul état de polarisation linéaire est émis. Récemment, la possibilité d’émettre deux états de polarisation simultanément du même oscillateur a suscité l’intérêt, notamment pour la génération de doubles peignes pour les applications de spectroscopie ou en lidar (technique « dual-comb »). Nous travaillons actuellement sur des lasers à cristaux dopés à l’ytterbium dans des architectures de cavité où l’émission de deux états de polarisations orthogonaux est possible. Nous pouvons distinguer des configurations où les deux états de polarisation sont émis simultanément (peignes synchrones), ce qui donne lieu à des séquences de polarisations ajustables dans le train d’impulsions. Nous pouvons également séparer spatialement les deux états de polarisation et les rendre indépendants en taux de répétition, ce qui offre la perspective de réaliser des sources dual-comb accordables.

Fig.2 (a) Schéma d’un laser mode-lock Yb:YAG quasi-isotrope oscillant sur deux états de polarisations. (b) Spectre du battement autour de frep/2, quand la différence de fréquence δν est hors de la zone d’accrochage (en rouge) ou dans la zone d’accrochage (en vert). (c) Dans la zone d’accrochage, le spectre est frep/2-périodique.

Impact de la polarisation de la pompe dans les lasers bi-polarisation

Les lasers solides dopés à l’ytterbium sont très utilisés pour la génération d’impulsions femtosecondes. Dans le cas des cristaux isotropes tels que le YAG, le CaF2, ou encore le CNGG, deux états de polarisation peuvent osciller simultanément. Nous avons montré que l’orientation de la polarisation du laser de pompage pouvait avoir une influence sur l’équilibre des puissances émises par les deux états propres. De plus, cette influence est gouvernée par le coefficient de saturation croisée ß et par le degré de symétrie des sites de l’ytterbium dans la matrice.

Fig.3 Schéma du laser microchip Yb:YAG
Fig.4 (a) Spectre optique bi-polarisation. (c) Puissance résolue en polarisation.

Stabilisation du battement de lasers à fibres bifréquences bipolarisations

Nous avons mis au point plusieurs méthodes de stabilisation du battement de lasers à fibre dopés erbium, DFB ou DBR, émettant deux états de polarisation à deux fréquences différentes séparées de 1 GHz ou 10 GHz. La méthode par boucle à verrouillage de phase utilise la puissance de pompe comme actuateur de la différence de fréquence, réduisant la largeur de raie de 3 kHz en fonctionnement libre à 1 Hz en fonctionnement verrouillé. D’autre part, une étude de la ré-injection optique à décalage de fréquence sur de tels lasers à fibres a permis de démontrer non seulement des plages d’accrochage où le battement est verrouillé sur la référence externe, mais également un nouveau régime dynamique où l’intensité devient instable dans la zone d’accrochage à taux de pompage élevé. De telles sources optique-microondes pourraient trouver des applications pour le déport optique d’oscillateurs.

Fig.5 Émission de lasers à fibres bifréquences. En haut : spectre optique et battement libre, en bas : battement stabilisé et bruit de phase.

Financements

  • ANR
  • DGA

Personnels de recherche impliqués

Ingénieurs de recherche, chercheurs et Enseignants-Chercheurs

  • ALOUINI Mehdi

    ALOUINI Mehdi

    (+33)2 23 23 66 58 Professor Directeur d’Unité

  • VALLET Marc

    VALLET Marc

    (+33)2 23 23 62 04 Professor Responsable d’équipe

Doctorants et Post-doctorants

Pour en savoir plus

Publications

  • Herman Akagla, Nicolas Chapron, Goulc’hen Loas, Marc Vallet, Marc Brunel. Control of the bipolarization emission of an Yb:YAG laser by the orientation of the pump polarization. Optics Letters, 2023, 48, 48 (3), pp.700. ⟨10.1364/OL.475453⟩. ⟨hal-04196945⟩
  • Herman Akagla, Goulc’Hen Loas, Marc Vallet, Marc Brunel. Phase-Locked Dual Polarization Frequency Combs in Yb:YAG. 2023 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe & European Quantum Electronics Conference (CLEO/Europe-EQEC), World of Photonics Congress 2023; 2023 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe & European Quantum Electronics Conference (CLEO/Europe-EQEC), Jun 2023, Munich, Germany. pp.1-1, ⟨10.1109/CLEO/Europe-EQEC57999.2023.10232832⟩. ⟨hal-04197083⟩
  • Marie Guionie, Marco Romanelli, Aurélien Thorette, Anthony Carré, Emmanuel Pinsard, et al.. Delay-induced instability in phase-locked dual-polarization distributed-feedback fiber lasers. Physical Review A, 2020, 101 (4), pp.043843. ⟨10.1103/PhysRevA.101.043843⟩. ⟨hal-02565340⟩
  • Marie Guionie, Marc Brunel, Goulc’Hen Loas, Emmanuel Pinsard, Laurent Lablonde, et al.. Post-treatment of DBR fibre lasers for enhanced beat-frequency in dual-polarization operation. 9th EPS-QEOD Europhoton Conference (Europhoton 2022), Aug 2020, Prague (virtual), Czech Republic. ⟨hal-03049382⟩
  • Marie Guionie, Aurélien Thorette, Marco Romanelli, Anthony Carré, Goulc’Hen Loas, et al.. Microwave-optical fiber lasers stabilized by frequency-shifted feedback. 2019 IEEE International Topical Meeting on Microwave Photonics (MWP 2019), Oct 2019, Ottawa, Canada. IEEE, IEEE Xplore Digital Library, pp.1-4, 2019, 2019 International Topical Meeting on Microwave Photonics (MWP). ⟨10.1109/MWP.2019.8892036⟩. ⟨hal-02470792⟩
  • M. Guionie, Ludovic Frein, Anthony Carré, Goulc’Hen Loas, François Bondu, et al.. Beat note stabilization in dual-polarization DFB fiber lasers by an optical phase-locked loop. Optics Express, 2018, 26 (3), pp.3483-3488. ⟨10.1364/OE.26.003483⟩. ⟨hal-01716235⟩
  • Mehdi Alouini, Julien Frougier, Alexandre Joly, Ghaya Baili, Daniel Dolfi, et al.. VSPIN: a new model relying on the vectorial description of the laser field for predicting the polarization dynamics of spin-injected V(e)CSELs. Optics Express, 2018, 26 (6), pp.6739-6757. ⟨10.1364/oe.26.006739⟩. ⟨hal-01996541⟩
  • Alexandre Joly, Ghaya Baili, Mehdi Alouini, Jean-Marie George, Isabelle Sagnes, et al.. Compensation of the residual linear anisotropy of phase in a vertical-external-cavity-surface-emitting laser for spin injection. Optics Letters, 2017, 42 (3), pp.651. ⟨10.1364/OL.42.000651⟩. ⟨hal-01484631⟩
  • Julien Frougier, Ghaya Baili, Isabelle Sagnes, Daniel Dolfi, Jean-Marie George, et al.. Accurate measurement of the residual birefringence in VECSEL: Towards understanding of the polarization behavior under spin-polarized pumping. Optics Express, 2015, 23 (8), pp.9573-9588. ⟨10.1364/OE.23.009573⟩. ⟨hal-01142137⟩
  • J. Frougier, G. Baili, Mehdi Alouini, I. Sagnes, H. Jaffrès, et al.. Control of light polarization using optically spin-injected vertical external cavity surface emitting lasers. Applied Physics Letters, 2013, 103 (25), pp.252402. ⟨10.1063/1.4850676⟩. ⟨hal-01142108⟩
  • Jérémie Thévenin, Marc Vallet, Marc Brunel. Dual-polarization mode-locked Nd:YAG laser.. Optics Letters, 2012, 37 (14), pp.2859-61. ⟨10.1364/OL.37.002859⟩. ⟨hal-00908235⟩

Thèses

  • Marie Guionie. Lasers à fibres bifréquences bipolarisations : stabilisation et montée en fréquence du battement. Optique [physics.optics]. Université Rennes 1, 2020. Français. ⟨NNT : 2020REN1S059⟩. ⟨tel-03194697⟩
  • Alexandre Joly. Optimisation du transfert du spin électronique à la polarisation d’un laser à semi-conducteur à émission par la surface. Imagerie médicale. Université de Rennes, 2018. Français. ⟨NNT : 2018REN1S084⟩. ⟨tel-02119276⟩
  • Julien Frougier. Toward Spin-LED and Spin-VECSEL operations at magnetic remanence. Other [cond-mat.other]. Université Paris Sud – Paris XI, 2014. English. ⟨NNT : 2014PA112175⟩. ⟨tel-01127040⟩
  • Jérémie Thévenin. Accrochages de fréquences dans les lasers vectoriels à état solide : étude du verrouillage de modes passif et de la réinjection décalée en fréquence. Optique / photonique. Université Rennes 1, 2012. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00769111⟩
Dynamique vectorielle des lasers
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