Stabilisation en fréquence de diodes lasers par couplage optique résonant sur une cavité Fabry-Pérot confocale

Frequency stabilization of diode lasers with optical feedback on confocal Fabry-Perot cavity

• Auteur / Autrice : Philippe Laurent
• Direction : Michel Granveaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Optique et Photonique
• Date : Soutenance en 1989
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie

Lasers à semi-conducteur

Diodes laser

Mots clés libres

Stabilisation en fréquence

Injection optique

Couplage optique

Cavité Fabry-Perot confocale

Métrologie des fréquences

Résumé

Ce mémoire présente les résultats théoriques et expérimentaux obtenus sur l'amélioration spectrale des diodes lasers émettant à 850 nm et 1300 nm. La première étape consiste à amener la diode laser à un fonctionnement monomode ce qui peut­ être, soit obtenu directement par le principe même de fabrication , soit a posteriori au moyen d'un miroir externe afin de réaliser une deuxième cavité qui sélectionnera un mode particulier. Différents jeux de miroirs de rayons de courbure compris entre 150 et 500 microns ont permis d'obtenir un fonctionnement parfaitement monomode avec des taux de réjection supérieurs à 30 dB. La seconde étape consiste à utiliser ce rayonnement laser monomode pour le coupler à une cavité Fabry-Perot confocale de grande finesse afin de réaliser un asservissement optique de plusieurs centaines de MHz de bande passante. Lorsque la cavité Fabry-Perot est en résonance avec le mode de la diode laser, une faible proportion du faisceau (inférieure à - 30 dB) est réinjectée dans la diode laser et conduit à un verrouillage en fréquence des 2 cavités. Une analyse théorique du comportement statique et dynamique du champ laser perturbé par le couplage optique est présentée en détail. Expérimentalement nous avons observé une réduction statique du bruit de fréquence de 50 à 60 dB et corrélativement une amélioration de la pureté spectrale du laser (20 MHz en fonctionnement libre) jusqu'à un niveau de quelques kHz en fonctionnement couplé. Les propriétés d'accordabilité de cette cavité couplée sont assurées par un double asservissement conçu de telle sorte que la fréquence laser est uniquement déterminée par la longueur du Fabry-Perot tout en conservant une largeur de raie minimum. Nous avons ainsi obtenu une accordabilité continue supérieure à 7 GHz. Nous avons montré aussi que nous étions en mesure de transférer les qualités spectrales d'une diode laser couplée vers une diode laser en fonctionnement libre en utilisant les propriétés d'injection optique d'une diode maitre vers une diode esclave. Enfin l'ensemble de ces résultats ouvre la voie d'une part vers la stabilisation en fréquence de diodes lasers à 850 nm sur des raies d'absorption saturée de l'atome de Cesium pour leur utilisation dans les nouvelles horloges à Cesium à pompage optique, et d'autre part vers la réalisation d'une chaine de synthèse de fréquences visibles en utilisant des diodes laser à 1260 nm, doublées en fréquence pour atteindre la fréquence du laser Hélium-Néon stabilisé sur ,l'Iode à 633 nm.

We report our work on diode laser frequency stabilization emitting near 850 and 1300 nanometers. In first, we demonstrate a single-mode operation from an initially multimode diode laser with an optical feedback on an external mirror. Secondly, a confocal Fabry-Perot cavity is used to feedback the beam from the diode laser and provide resonant optical stabilization of the semiconductor laser. We present a detailed theoretical analysis of the static and dynamic frequency noise power spectrum of the coupled cavity laser field. Experimentally we achieve static frequency noise reduction of 50-60 dB and obtain a dramatic reduction of the laser line with from 20 MHz to a few kHz. The frequency tenability of these coupled cavity diode lasers are achieved by a double servo-loop system and we have obtained a continuously frequency tuning of 7 GHz without laser spectral purity degradation. Applications of these techniques include optical pumping Cesium docks and frequency synthesis in the visible.