Laser à semi-conducteur III-V à émission verticale de haute cohérence et de forte puissance : Etat vortex, continuum et bifréquence THz

Abstract

The work presented in this thesis focuses on the design, implementation and physical study of new laser sources of high power and high consistency of emitting photons states "exotic" other than the single-frequency regime conventional TEM 00. The new quasi-coherent states we were able to demonstrate concern on the one hand the transverse aspect of the wave, with the generation of higher order transverse modes in the base of Laguerre-Gaussian (LG) degenerate or non-degenerate ( optical vortex), and in the other hand, for the longitudinal aspect with a so-called "modeless" laser, with a broadband and cohérent spectrum. For these demonstrations, laser technologies VECSEL was the choise of the study by exploiting the GaAs materials industry.The interest of the VECSEL technology is the combination of an optically stable cavity in free space to a low thickness gain. Thus, it is possible to integrate metal filters (nm thickness) or phase filters (based on a photonic crystal) directly on the semiconductor chip, to structure the laser mode. This has been demonstrated experimentally by performing VECSEL source emitting a single spatial mode of higher order and controlled, caught in the LG base.For the longitudinal aspect of the wave, the introduction of a spectral shift element into the cavity allows the realization of a frequency shifted feedback laser, whose emission spectrum is wide (1 nm), and "chirped" with a deterministic relationship between its spectral components. This type of laser source is of growing interest both for understanding the nature of the emitted field and for potential applications in the field of optoelectronics.Le travail présenté dans cette thèse porte sur la conception, la réalisation et l'étude physique de nouvelles sources laser de forte puissance et de haute cohérence émettant sur des états de photons "exotiques", autre que le régime mono-fréquence TEM00 conventionnel. Les nouveaux états quasi-cohérent que nous avons pu démontrer concernent d'une part l'aspect transverse de l'onde, avec la génération des modes transverses d'ordre supérieur dans la base de Laguerre-Gauss(LG) dégénérés ou non dégénérés (vortex optiques), et d'autre part l'aspect longitudinal avec une émission laser dite "sans mode" , large bande et cohérente. Pour ces démonstrations, la technologies laser VeCSEL a constitué le support de l'étude en exploitant la filière de matériaux GaAs. L’intérêt de la technologie VeCSEL est l’association d’une cavité optiquement stable en espace libre à un milieu à gain d’épaisseur. Ainsi, il est possible d’intégrer des filtres métalliques ( épaisseur ~ nm ) ou de filtres de phase (à base d’un cristal photonique) directement sur la puce semi-conductrice, pour structurer le mode laser. Ceci a été démontrer expérimentalement en réalisant une source VeCSEL émettant sur un mode spatial d’ordre supérieur unique et contrôlé, pris dans la base LG. On ce qui concerne l'aspect longitudinal de l'onde, l'introduction d'un élément de décalage spectral dans la cavité à permet la réalisant d'une source laser à décalage spectral intra-cavité, dont le spectre d’émission est large ( 1nm), de nature "chirpée" avec une relation déterministe entre ses composantes spectrales. Ce type de source laser suscite un intérêt croissant que ce soit pour la compréhension de la nature du champ émis ou pour les applications potentielles dans le domaine de l’opto-électronique