Montage expérimental

Notre projet est un sujet se basant sur l’expérimentation, nous avons eu à disposition un montage mettant en jeu un laser avec injection. Ce montage est constitué principalement de deux lasers, d’un Fabry-Perot et de deux oscilloscopes.

Le laser maitre, qui représente l’injection, est un laser émettant par la tranche. Il est accordé à l’aide d’un réseau. L'amplitude de forçage du faisceau émis peut être contrôlée par une lame demi-onde qui est encadrée en rouge sur le schéma.
Des isolateurs optiques avec 30dB d’atténuation vont nous éviter toutes retro-réflexions pouvant nuire à la mesure et à la dynamique des lasers. Le champ émis par le laser maitre et envoyé au travers d’une lame séparatrice avec environ 10% de réflexion. Ce sont ces 10% qui seront envoyés dans le laser esclave et qui constituent alors le forçage.

Le laser esclave est un mono-mode longitudinal Vcsel, pour Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (ULM980-03-TN-S46), émettant une polarisation linéaire. Son seuil d'émission cohérente est autour de 0,2mA comme montré dans le graphe 1.

Le signal «total» de sorti est dirigé vers une lame demi-onde ,encadrée en vert, et un cube polariseur pour pouvoir séparer le signal vers l’interféromètre de Fabry-Perot (Finesse 110 et d’intervalle spectrale libre 71GHz) puis dans un oscilloscope (HDO4024 200MHz Oscillo 2). L’autre partie du signal est injectée dans une fibre optique reliée à un oscilloscope (DPO71254C 12,5 GHz, 100GS/s Oscillo 1).

Les paramètres de contrôle

L’expérience du laser injecté possède trois paramètres de contrôle : le désaccord entre les deux lasers, qui est défini comme la différence entre la fréquence du laser esclave et celle du maitre, puis le courant électrique délivré au laser esclave, qui a un rôle déterminant sur l’émission du Vcsel et enfin la force d’injection du maitre contrôlée par la lame demi-onde encadrée en rouge, autrement dit l'amplitude de forçage.

Système d'équation du laser de classe B:

Le système d’équation qui régit la dynamique de cette expérience est :

Les différents termes du système sont:

• : le paramètre de pompe de l’esclave proportionnel à fourni en mA, son seuil laser (laser threshold) est autour de 0,2mA.
: le champ injecté (adimensionné dans les équations)
: le désaccord en terme de fréquence dans la cavité.
: enveloppe, amplitude du champ électromagnétique du laser
, avec qui est la durée de vie d’un photon et , le temps caractéristique de parcours dans la cavité optique du laser.
:est un taux à l’échelle de la durée de vie d’un porteur de charge.
: représente les porteurs de charge ou la population.
: terme de couplage entre la phase et l’amplitude du champ.

Introduction au fonctionnement du laser

Dans notre desciption du laser nous utiliserons l'approche semi-classique qui consiste à considérer le champ électrique E comme une variable continue. Nous allons aussi faire des approximations fortes sur le nombre de niveaux d'énergie, en effet deux niveaux ne suffisent pas mais seront convenables pour décrire simplement le rayonnement laser.

Une source laser est constituée d’un milieu amplificateur optique, qui dans notre cas sera un semi-conducteur, et d’une cavité optique résonnante composée de deux miroirs de Bragg dont l'un est partiellement réfléchissant afin de laisser sortir le faisceau.

Dans cette cavité, la lumière effectue de multiples allers-retours et est amplifiée à chaque traversée du milieu amplificateur pour finalement s'échapper par le miroir partiellement réfléchissant. LASER signifie light amplification by stimulated emission of radiation.
Trois mécanismes d'interactions sont en jeux dans le laser : absorption , émission spontanée et émission stimulée.
Ces mécanismes d’interactions sont traités plus en détail dans notre Rapport .

L’amplification lumineuse dépend de l’émission stimulée, afin de la privilégier au détriment de l'absorption et de l’émission spontanée, la solution est de jouer sur les populations des différents niveaux d’énergies du milieu optique : il faut parvenir à avoir plus d'atomes dans l’état excité que dans l’état fondamental. L'émission spontanée a tendance à dépeupler naturellement le niveau excité. Il faut donc trouver un moyen de vider le niveau fondamental plus vite par émission stimulée que par émission spontanée. La solution est de venir pomper le milieu électriquement.

Nous nous sommes donc intéressés à la réponse de notre laser esclave en fonction du courant d'injection.
Les résultats sont représentés sur le graphe ci-contre :

Ce graphe représente la tension aux bornes d’un photo-détecteur en fonction de l’intensité du courant reçu par le laser. Cette mesure a été faite avec un détecteur branché à un multimètre (voir schéma). On constate que la réponse du système n’est pas linéaire : le laser n’émet pas directement dès que nous l’alimentons. Cette bifurcation, c’est à dire ce changement de comportement dynamique, est une bifurcation transcritique. Nous relevons, grâce à cette mesure, l’intensité d’injection minimale correspondant au seuil d'émission cohérente qui est autour de 0,2mA.

Ce seuil correspond aussi au moment où l'amplification du champ électrique dans la cavité compense les pertes.
On constate aussi que l’intensité du signal émis, à partir du moment où le laser émet, croît linéairement.

Cette série de spectres dans l’espace de Fourier nous permet d'illustrer la manière dont nous pouvons contrôler le désaccord entre la fréquence du maitre et celle de l’esclave : en faisant varier le pompage, on modifie également l'amplitude et la position du pic. Nous pouvons alors conclure cette partie introductive à la dynamique du laser en affirmant qu'un laser seul s'apparie à un oscillateur non-linéaire.