Academic literature on the topic 'Stabilisation en fréquence de lasers accordables'

L'objet de cette thèse est la construction d'une chaîne de fréquences pour comparer les fréquences de l'atome d'hydrogène à celle d'un laser He-Ne. stabilisé sur l'iode à 633 nm. Le schéma de la chaîne tire profit de la quasi-coïncidence (à 89 GHz) entre la fréquence d'excitation à deux photons des transitions 2S→8S/D à 778 nm et la différence en fréquence du laser étalon à 633 nm et du laser He-Ne-étalon stabilisé sur le méthane à 3,39 μm. On utilise deux lasers titane-saphir construits au laboratoire, l'un pour l'excitation des transitions atomiques (TS1), l'autre pour la mesure de fréquence (TS2). On réalise, dans un cristal de LiIO3, le mélange des radiations à 778 nm (TS2) et 3,39 μm provenant d'un laser He-Ne auxiliaire construit au laboratoire. La fréquence du.faisceau ainsi synthétisé à 633 nm-est déterminée par battement avec le laser étalon stabilisé sur l'iode. Un battement entre les deux lasers He-Ne (3,39 μm) donne la fréquence du laser He-Ne auxiliaire. La mesure de la fréquence du laser TS1 à partir de celle de TS2 nécessite une source micro-onde à 89 GHz et un dispositif permettant de réaliser le mélange des trois fréquences et la détection du battement obtenu à basse fréquence. La fréquence de la diode Gunn à 89 GHz est déterminée à l'aide d'une chaîne de multiplication de fréquence d'un quartz ultrastable à 90 MHz. Après des essais avec des diodes MIM, nous avons pris une diode Schottky comme dispositif de mélange et de détection. Par cette méthode, nous avons relié pour la première fois une fréquence optique de l'atome d'hydrogène à l'horloge à césium sans utiliser l'interférométrie. Nous en avons déduit la constante de Rydberg qui est le facteur d'échelle des niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène. On ajuste la valeur de cette constante pour faire coïncider les fréquences expérimentales et théoriques. La nouvelle valeur ainsi obtenue est : R∞ = 109 737,315 683 4 (24) cm-1 L'incertitude sur cette valeur est de 2,2 10^-11. Elle approche celle des calculs d'électrodynamique quantique donnant les valeurs théoriques des niveaux d'énergie. Ce résultat, qui est le plus précis à l'heure actuelle, est en bon accord avec celui obtenu à Münich en 1992 sur les transitions 1S-2S et 2S-4D.

Les dispositifs optoélectroniques sont importants pour nombreuses applications de la vie de tous les jours : ordinateurs, téléphones, les objets connectés en général. La gamme spectrale du THz (0.1-10 THz) reste cependant un domaine industriellement peu exploité en raison de problèmes intrinsèques à la génération et détection des photons THz.De nombreuses applications relèvent pourtant du THz, dans les domaines médicaux par exemple, pour la détection des gaz à l’état de trace, ou bien pour l’imagerie d’objets opaques dans le visible.Cette thèse se focalise sur les photodétecteurs à puits quantiques (QWIPs) et les lasers à cascade quantique (QCLs) fonctionnant dans la gamme du THz dans le but de développer des dispositifs compacts, rapides et sensibles (mais fonctionnant à températures cryogéniques). Nous avons utilisé des résonateurs à anneau fendu, inspirés des travaux sur les métamatériaux, pour concevoir et développer des détecteurs sub-longueur d’onde accordables en fréquence dans la gamme spectrale du térahertz grâce à une inductance externe. En ce qui concerne les émetteurs, cette thèse étudie les micro-lasers THz qui utilisent des résonateurs de type microdisques, avec pour but de concevoir et fabriquer des lasers fonctionnant sur le mode électromagnétique fondamental. Les futures perspectives de ce travail concernent la réalisation d’un laser entièrement sub-longueur d’onde et rapide dans la gamme spectrale du THz
Optoelectronic devices are crucial for many applications in everyday life: computers, smartphones, connected objects in general.The THz range (0.1-10 THz) still remains industrially unexploited because of the intrinsic difficulties to produce or generate THz photons. However, many applications exist for THz radiation : in the medical field for example, for the sensitive detection of gases, or for the imaging of concealed objects in the visible range.This thesis focuses on quantum well photodetectors (QWIPs) and quantum cascade lasers (QCLs) operating in the THz range in order to develop compact, fast and sensitive devices (but operating at cryogenic temperatures).We used Split Ring Resonators (SRR), inspired by metamaterial research, in order to design and develop subwavelength tunable THz detectors with an external inductance.Concerning lasers, this thesis studies THz micro-lasers using microdisk resonators with the aim of designing and manufacturing lasers operating on the fundamental electromagnetic mode (dipolar mode). The future perspective of this work is to build an entirely sub-wavelength and fast laser in the THz spectral range

Cette étude porte sur les lasers à fibres bifréquences bipolarisations. Le contrôle de la différence de fréquence de ces lasers représente un enjeu important en photonique microonde. En effet, maîtriser le battement permettrait la réalisation de sources compactes et à faible bruit visant des applications de métrologie ou télécom. Nous travaillons ici sur des sources émettant à 1,5 μm, de type DFB ou DBR, soit dopés Er soit co-dopés Er-Yb. Ils présentent une fréquence de battement d'environ 1 GHz pour les DFB, et 100 MHz pour les DBR. Les objectifs de la thèse ont été, d'abord de stabiliser le battement, puis d'explorer différentes méthodes pour modifier la biréfringence de la fibre et ainsi accroître la fréquence de battement. Nous avons d'abord utilisé la méthode de stabilisation par boucle à verrouillage de phase pour asservir le battement sur une fréquence de référence. En nous servant de la diode de pompe comme actuateur, nous avons réussi à stabiliser des battements entre 300 MHz et 10 GHz pendant plusieurs jours. Ensuite, nous avons mis en place une méthode de stabilisation par réinjection optique décalée en fréquence. Un modèle théorique basé sur des équations-bilan couplées a été utilisé et a permis de retrouver les observations expérimentales. En stabilisant le battement sur une référence extérieure, différents régimes dynamiques ont été observés. Dans la zone stable, on réduit le bruit de phase jusqu'à −100 dBc/Hz à 1 kHz de la porteuse. Puis, nous avons couplé le montage de la réinjection optique a une ligne à retard, afin de stabiliser efficacement le battement sur lui-même. Enfin, nous avons étudié plusieurs pistes pour augmenter la fréquence de battement des lasers DBR pour répondre aux besoins des applications. Nous avons pu suivre en temps réel la modification de biréfringence photo-induite par un faisceau UV. Nous avons aussi étudié une méthode de modification réversible de la biréfringence, en exploitant l'effet élasto-optique. Quelque soit la méthode employée, nous avons observé un accroissement de la fréquence de battement depuis 100 MHz jusqu'à plus de 10 GHz dans le meilleur des cas
This work is about dual-polarization dual-frequency fibers lasers. The control of the frequency difference of these lasers is a major challenge in microwave photonics. Controlling the beat frequency could allow compact and low-noise sources, in order to develop applications in metrology or telecom. Here, we focus on 1.5 μm sources, in either DFB or DBR configurations, made of Er-doped or co-doped Er:Yb silica fibres. Their beat frequency is about 1 GHz for DFB lasers, and 100 MHz for DBR lasers. This thesis investigates several methods to stabilize the beat note, then to modify the fiber birefringence, to increase the beat frequency. First, an optical phase-locked loop method is used to lock the beat note on a frequency reference. By using the pump diode as an actuator, we have successfully stabilized beat frequencies between 300 MHz and 10 GHz for days. We then study a stabilization method by frequency-shifted optical feedback. A theoretical model based on rate equations model is used and allows to retrieve the experimental observations. We observe different dynamical regimes by locking the beat note on a reference frequency. In the stable area, we reduce the phase noise to −100 dBc/Hz at 1 kHz from the carrier. Next, we have mixed the set-up of the injection-locking to a delay line, in order to effectively stabilize the beat note on itself. Finally, various approaches have been explored to increase the beat frequency of DBR lasers, to the needs of applications. It has been possible to continuously monitor the impact of a UV beam on the fiber birefringence. We also studied a method for reversible modification of the birefringence, exploiting the elasto-optical effect. Regardless of the method used, we observed an increase in the beat frequency from 100 MHz to more than 10 GHz in the best case

Les lasers stabilisés à long terme sont utilisés dans de nombreux domaines en métrologie et constituent la base de toute la recherche expérimentale en spectroscopie à très haute résolution. Ce mémoire décrit mon travail de thèse sur les lasers à Nd:YAG stabilisés en vue d'applications spatiales (missions de physique fondamentale ou géodésie). Les montages doivent satisfaire critères de compacité, stabilité mécanique, robustesse et fiabilité. On traite les références utilisables pour le long (moléculaire) et le court (mécanique) terme ainsi que leurs limitations principales. L'analyse et le choix de ces références de stabilisation seront couplés avec le choix des techniques de stabilisation (PDH, Tilt-Locking, Modulation Transfer). Dans les techniques de stabilisation, celle de Pound-Drever-Hall (PDH) est devenue un classique car elle donne les meilleurs performances connues à ce jour surtout à court terme. Pour réduire le nombre de composants actifs, nous avons aussi implanté une technique dite de Tilt-Locking, que je compare avec celle de PDH dans le cas d'une référence Fabry-Perot monolithique. Les performances théoriques sur le long terme et les efficacités quantiques sont inter-comparées. On présente les montages expérimentaux et les résultats obtenus (lasers stabilisés sur Fabry-Perot et Iode moléculaire). On a calibrer les dérives de fréquence du Fabry-Perot, ce qui permettra de présenter des solutions obtenues analytiquement et numériquement pour l'asservissement en longueur de cette référence mécanique. Des suggestions de prolongation de ces travaux sont suggérés en conclusion et, en appendices, les détails de dimensionnement des bruits de LISA, le rappel théorique des ondes de gravitation, ainsi que divers simulations de calculs effectués, sont présentées
Long term stabilised lasers are used in a multitude of metrological applications and are the basis of experimental research in very high resolution spectroscopy. This document describes my thesis work on stabilised Nd:YAG lasers in view of space applications (for fundamental physics experiments and geodesy). All experiments must satisfy criteria of compactness, mechanical stability, robustness and reliability. I will describe the possible references for the long (molecules) and the short (resonators) term time intervals with their principal limitations. The discussion leading to their choice is actually connected to the stabilisation techniques to be adequately implemented (PDH, Tilt-Locking, Modulation transfer). Among the stabilisation techniques, the Pound-Drever-Hall (PDH) technique is now a classic as it produces the best performance in short term, so far. To reduce active components, we have also implemented a DC technique called Tilt-Locking and I will compare with PDH in the case of a monolithic Fabry-Perot reference. Theoretical performances on the long term and quantum efficiencies will be compared for different techniques. The schematic principles of the experiences and the results I have obtained for stabilised lasers on Fabry-Perot and molecular iodine are presented. We calibrated the Fabry-Perot drifts, this allows me to point out analytical and numerical solutions to control the length of this mechanical reference. Finally suggestions for further work will be approached and, in the appendices, details about noise order of magnitudes for LISA, a theoretical overview of gravitational waves as well as different simulations and calculations are presented

Etude des Lasers Accordables à Réseau de Bragg Echantillonnés ou à Pas Variables Les travaux de cette thèse ont porté sur la conception et la caractérisation de sources lasers accordables incluant un réseau de Bragg échantillonné ou à pas variable. L'objectif était de répondre au besoin d'agilité en longueur d'onde des systèmes de télécommunication tout en conservant un mode d'accord simple et rapide. L'effet Vernier, induit par le déplacement d'un peigne de modes Fabry-Pérot par rapport aux pics de réflectivité d'un réseau échantillonné, a permis de démontrer une accordabilité de 20nm par saut de 200GHz à l'aide d'une commande en courant unique. Le temps de commutation entre deux longueurs d'ondes adjacentes est inférieur à 20ns. Une modélisation de la cavité a permis de décrire et d'optimiser le fonctionnement du laser. Par ailleurs, une accordabilité de 27nm a pu être démontrée en blocage de modes actif avec un laser en cavité externe utilisant un réseau à pas variable. Cet accord est obtenu simplement en changeant la fréquence de modulation.

L'objet de ce travail porte sur l'evaluation des performances de systemes de lasers a semi-conducteur stabilises en frequence sur une resonance atomique etroite par des methodes quasi tout-optique. Apres un premier bref chapitre introductif, le second chapitre du memoire traite du comportement statique et dynamique du rayonnement d'un laser a semi-conducteur en presence d'un couplage optique resonnant. On montre qu'une retroaction adequate conduit a une amelioration de la purete spectrale et a une stabilisation de la frequence d'emission sur la resonance. Pour le signal de retroaction resonnante, nous considerons en particulier le cas des techniques spectroscopiques qui realisent directement un asservissement optique de la frequence sur une transition atomique. Le troisieme chapitre considere la technique specifique de spectroscopie de polarisation choisie pour nos experiences. . . .

Les lasers stabilisés à long terme sont utilisés dans de nombreux domaines en métrologie, leur incursion dans les applications spatiales se précise depuis quelques années, missions de physique fondamentale, géodésie... Ce travail concerne les lasers stables pour le projet LISA (détection spatiale des ondes de gravitation, mission prévue dans 10 ans); en vue de cette application spatiale, les montages doivent satisfaire plusieurs critères: compacité, stabilité mécanique, robustesse et fiabilité. Les références utilisables pour l'asservissement long terme (iode, chapitre 3) et court terme (cavité de Fabry-Pérot, chapitre 4) sont décrites, ainsi que leurs limitations principales. L'analyse et le choix de ces références de stabilisation seront couplés avec le choix des techniques de stabilisation (PDH, Tilt-Locking, Modulation Transfer). Dans les techniques de stabilisation, celle de Pound-Drever-Hall (PDH), un classique en matière de configuration, est comparée au Tilt-Locking, une technique continu et peu consommatrice en énergie, dans le cas d'une référence Fabry-Perot monolithique. Les calcules théorique pour chaque technique et chaque type de référence ammeneront à une description des sources de bruit et à une simulation des signaux d'erreur attendus. Les performances théoriques sur le long terme et les efficacités quantiques sont intercomparées. La deuxième partie, présentera les montages expérimentaux et les résultats obtenus, pour des lasers stabilisés sur Fabry-Perot et sur l'Iode moléculaire. Pour calibrer les dérives de fréquence du Fabry-Perot, sa fréquence de résonance sera mesurée par rapport à celle de la molécule, ce qui permettra de présenter des solutions obtenues analytiquement et numériquement pour l'asservissement en longueur de cette référence mécanique. En appendices, les détails de dimensionnement des bruits de LISA conduisant aux spécifications des lasers, le rappel théorique des ondes de gravitation ainsi que divers simulations de calculs effectués.

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

Cette thèse concerne le laser NH3 moyen-infrarouge continu pompé optiquement par laser C02·Le chapitre 1 rappelle les données spectroscopiques sur la molécule NH3 et l'influence d'un champ électrique sur son spectre de rotation-vibration (effet Stark). Le chapitre II concerne Je pompage optique hors résonance et le développement de sources Raman de puissance. Il est divisé en deux parties : La partie A porte sur l'analyse du gain local à 12 μm en fonction des principaux paramètres. L'étude, la réalisation et l'optimisation d'un laser Raman en anneau continu à 12 μm à puissance modérée sont décrites à la suite. La partie B porte sur l'étude d'un amplificateur Raman continu. Un premier modèle de propagation, simplifié, mais analytique est développé. Un second modèle numérique est mis au point qui tient compte des distributions transverses des intensités (pompage et Raman) et des effets d'échauffement. Les expériences sur un système oscillateur-amplificateur à 12,08 μm confirment la validité du modèle élaboré. Des lois d'échelle pour des systèmes de haute puissance sont établies. Le chapitre III concerne l'accordabilité en fréquence du laser NH3 à inversion de population pompé optiquement en résonance. Un modèle à taux de population du gain à faible signal est établi. La directionnalité des émissions et le fonctionnement multi-raie sont exposés brièvement. L'accordabilité en fréquence par élargissement en pression est étudiée ainsi que la mise au point d'une cavité sélective de type Fox-Smith. Les résultats d'accordabilité en fréquence par effet Stark, la réalisation d'un guide d'onde hybride sont décrits ensuite. Un modèle simple est développé pour interpréter les résultats expérimentaux
This thesis is directed at the study of the C02-pumped Mid-Infrared NH3 Chapter 1 gives some spectroscopic data for the ammonia molecule. The influence of an electric field on its rotation-vibration spectrum (Stark effect) is recalled. Chapter II which concerns the off-resonance pumping of NH3 and the development of powerful Raman sources is divided into two parts: In part A the 12 μm local gain is analyzed as a function of the main parameters. The sudy, realization and optimization of a ring CW 12 m Raman laser are described. In part B, a CW Raman amplifier is studied. A first simplified, but analytical propagation model is developed. A second numerical model is elaborated which includes both the transverse intensity profiles (Raman and pump) and the heating effects. Experiments carried out on a 12. 08 μm oscillator-amplifier system confirm the validity of this model. Scaling laws are established for high power systems. Chapter III is related to the frequency tunability of an NH3 laser with population inversion (on-resonance pumping). A rate equation model is established for the small signal gain. Results on Multiline operation and bidirectional emissions are briefly reported. The frequency tunability of the pressure-broadened emissions is inverstigated using a Fox-Smith laser cavity. The Stark tuning of the laser and the realization of a hybrid waveguide are then described. A simple line shape model is developed to interprete the experimental results

Ce travail porte sur le piégeage et le refroidissement laser d'ions calcium en vue d'application en métrologie des fréquences. L'ion calcium possède une transition quadripolaire électrique à 729 nm de facteur de qualité supérieur à 10[15] qui en fait un excellent candidat pour un étalon de fréquence dans le domaine des longueurs d'onde du visible. Les ions sont confinés dans un piège radiofréquence de Paul-Straubel et sont détectés par la lumière de fluorescence qu'ils émettent lorsqu'ils sont refroidis par laser. L'étude des propriétés spectrales de leur mouvement est faite par application au piège d'une petite tension alternative. Les fréquences d'oscillation des ions sont clairement visibles et leur relation avec la tension de confinement peut être obtenue. La variation des tensions continue et alternative de confinement permet de décrire le diagramme de stabilité du piège réel. Les lasers de l'expérience doivent avoir des fréquences stables pendant plusieurs heures. Pour l'un deux, cela est réalisé en l'injectant dans une cavité Fabry-Pérot en même temps qu'un laser à 852 nm stabilisé en fréquence sur le césium par une technique d'absorption saturée. La cavité permet le transfert de la stabilité de ce dernier laser vers le laser de l'expérience. Le chauffage par laser d'un nuage ionique et la diminution progressive de la profondeur du puits de potentiel de confinement permettent d'éjecter tous les ions et ne garder qu'un seul. Il est alors placé au centre du potentiel de confinement par application de tensions continues sur les électrodes de compensation. Ceci réduit son micromouvement. L'efficacité de l'opération est observée par la technique de corrélation de champ RF-photon.