Structuration spatiale des impulsions localisées dans les lasers à émission surfacique avec cavité externe auto-imageante

Spatial organization of localized pulses in a self-imaging vertical external cavity surface emitting laser

• Auteur / Autrice : Adrián Alejandro Bartolo González
• Direction : Massimo Giudici
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/06/2022
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique de Nice
• Jury : Président / Présidente : Giovanna Tissoni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Massimo Giudici, Giovanna Tissoni, Mustapha Tlidi, Thorsten Ackemann, Arnaud Mussot, Sylvain Barbay, Arnaud Garnache
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mustapha Tlidi, Thorsten Ackemann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers à émission par la surface à cavité verticale

Mots clés libres

Structures localisées

Laser à Cavité Externe Verticale Émettant par la Surface (VECSEL)

Verrouillage de modes passif

Balles de Lumière

Localized structures

Vertical External Cavity Surface-Emitting Laser (VECSEL)

Passive mode-locking

Light bullets

Résumé

Cette thèse est consacrée à l'analyse expérimentale de la dynamique spatio-temporelle d'un laser à grand rapport d'aspect (GRA) fonctionnant dans le régime de verrouillage de mode localisé dans le temps. Dans ce régime, le laser émet un ensemble périodique d'impulsions et chaque impulsion de cet ensemble peut être adressée individuellement par une perturbation externe. Par conséquent, ces impulsions sont des structures localisées dans le temps (SLT), l'équivalent, dans le domaine temporel, des structures localisées spatiales qui ont été observée dans une grande variété de systèmes dissipatifs. Le système que nous étudions est un laser à émission surfacique à cavité externe (VECSEL) où la cavité externe est délimitée par un miroir à gain et par un miroir absorbant saturable à semi-conducteur (SESAM). Ce dispositif a été conçu et développé en collaboration avec l'Institut d'Electronique et des Systèmes de Montpellier pour satisfaire aux conditions d'existence des SLT. Il a été réalisé par la centrale technologique Renatech au Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies de Paris. Dans ce travail j'étudie la possibilité de créer des SLT dans un VECSEL à GRA, où la localisation spatiale et temporelle de la lumière deviendrait possible. Les structures localisées spatio-temporelles dans les systèmes dissipatifs, également appelées Balle de Lumière, sont très attractives car elles peuvent être utilisées pour encoder des bits d'information dans les trois dimensions du résonateur laser. Pour réaliser un VECSEL à GRA il faut que la cavité externe soit dans la condition auto-imageante (CAI) et, en même temps, qu'une large section du miroir à gain soit pompée. J'ai identifié un protocole d'observation pour atteindre la CAI de la cavité externe en présence de la lentille thermoélectronique induite par la pompe. Lorsque l'on opère le VECSEL près du CAI des motifs spatiaux complexes apparaissent. Leurs caractéristiques dépendent des coefficients de la matrice ABCD d'aller-retour de propagation dans la cavité externe. Alors que B contrôle le coefficient de diffraction du second ordre, C introduit un potentiel de champ proche qui produit un effet de focalisation (C>0) ou défocalisation (C<0). Pour C<0, les motifs observés consistent en une combinaison d'une onde plane axiale avec un ensemble d'ondes plane inclinées ayant une disposition presque hexagonale dans l'espace de Fourier. Ces ondes planes sont verrouillées en phase et leur interférence donne naissance à un profil en nid d'abeille en champ proche. Pour C>0, les motifs consistent en un ensemble de couples d'ondes plane inclinées ayants des vecteurs d'onde transversaux opposés. Différents couples présentent des vecteurs d'onde transversaux orientés différemment mais ayant le même module, ce qui dessine un cercle dans le profil de l'émission en champ lointain. Lorsque la symétrie rotationnelle est brisée par une anisotropie dans la cavité, seuls deux points sont observés dans le champ lointain et un rouleau apparaît dans le champ proche. Dans le domaine temporel, ces motifs correspondent à des impulsions picosecondes qui peuvent être adressées individuellement ; il s'agit donc de motifs localisés dans le temps. Dans chaque situation, l'ensemble du motif pulse de manière synchrone et tous les points du profil de champ proche sont corrélés. Même si le système n'émet pas spontanément de manière décorrélée, on peut l'induire à le faire en superposant à la pompe principale de faisceaux de pompage de taille faible qui permettent de contrôler le gain localement dans la section du VECSEL. Ainsi, j'ai pu créer des points sources émettant de motifs dont la pulsation est contrôlée individuellement et elle peut être asynchrone. Ces « points chauds » ont également été imprimé directement sur la facette supérieure du miroir de gain par le dépôt d'un masque absorbant en chrome. Ainsi, j'ai réalisé une preuve de principe pour la réalisation de sources multiplexées de motifs SLT dans le même VECSEL.

This thesis is devoted to the experimental analysis of spatio-temporal dynamics in a large aspect-ratio semiconductor laser operated in the regime temporally localized mode-locking. In this regime the laser emits a periodic set of pulses and each pulse in this set can be individually addressed by an external perturbation. Hence, these pulses are Temporally-Localized Structures (TLS), the equivalent in time domain of the more famous Spatially-Localized Structure, which appear in many different dissipative systems in nature ranging from biology to physics. The system we study is a Vertical External-Cavity Surface-Emitting Laser (VECSEL) where the external cavity is delimited by a gain mirror and by a Semiconductor Saturable Absorber Mirror (SESAM). This device was developed to match the requirements for hosting TLS in collaboration with the Institut d'Electronique et des Systèmes of Montpellier. The devices were realized by the technological facility Renatech at Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies de Paris. Preliminary work has shown that this system can host TLS with a single transverse mode profile.In this work I address the possibility of implementing TLS in a large-aspect ratio VECSEL, where both spatial and temporal localization of light may be possible. Spatio-temporal localized structures, also called Light Bullets (LB), in dissipative system are very attractive for their application to information processing because they can be used to encode information bits in the three dimensions of a laser cavity. Large aspect-ratio VECSEL requires a self-imaging external cavity and, at the same time, a broad pumped area on the gain section. I have identified an observational protocol to achieve self-imaging condition (SIC) of the external cavity taking account the parasitic thermo-electronic lens induced by the pump.When operating the VECSEL close to SIC, complex patterns appear due to degeneracy and complex non-linear light matter interaction. Their characteristics depends on the coefficients of the ABCD roundtrip matrix describing the ideal propagation in the external cavity. While B controls the second order diffraction coefficient, C introduces a near field potential which may produce a focusing effect (C>0) or a defocusing effect (C<0). For C<0 and normal diffraction regime (B>0) the non-linear patterns observed consist of a combination of an axial Gaussian spherical plane-wave with a set of tilted waves having a nearly hexagonal arrangement in the Fourier space. These plane waves are locked in phase and their interference gives birth to a honeycomb profile in near-field. For C>0 the patterns observed consist of a set of counterpropagating tilted waves with opposite transverse wavevectors, carrying a gaussian beam. These wavevectors share the same modulus and they draw a circle in the far field profile. When the rotational symmetry is broken by some anisotropy in the cavity, only two spots are observed in the far field and a roll pattern appears in the near-field. In the time domain these patterns correspond to picosecond pulses which can be individually addressed; hence they are temporally localized patterns. In each situation the entire pattern is pulsating synchronously, and all the points of the near-field profile are correlated.Even if the system does not emit spatially in a decorrelated way spontaneously, I have induced it by overlapping to the main pump small pump beams that create hot/multiplex spots on the section of the gain mirror. By controlling the gain level on each of these hot spots, I have induced gain-pinned temporally-localized pattern which are pulsing asynchronously. These hot spots have been also engineered directly onto the top facet of the gain mirror through integration of sub-lambda non diffractive Chromium absorptive mask. Accordingly, I have realized a proof of principle for the realization of multiplexed sources of TLS patterns into the same VECSEL.