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

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

High coherence and high power vertical cavity III-V Semi-conductor laser : Vortex state, continuum and THz dual-frequency

Le travail présenté dans cette thèse repose sur l'expertise du groupe VeCSEL du l'Institut d'Électronique de Sud (IES) dans la conception, la réalisation et l'étude des VeCSEL dans le proche et le moyen infrarouge. Avant de s'engager dans le travail présenté ici, les VeCSELs développés au sein de notre laboratoire concernaient l'habituel fonctionnement monofréquence avec un faisceau TEM00, mais repoussé à forte puissance et à haute cohérence. L'objectif de cette thèse est d'aller au delà de cet état conventionnel, et explore d'autres états cohérents du photon, inhabituels dans le domaine de l'émission laser. Ces nouveaux états concernent aussi bien l'aspect transverse (spatial) que longitudinal (temporel) de l'onde. Plus particulièrement, l'émission laser de haute cohérence et de forte puissance sur les modes d'ordre supérieur Laguerre-Gauss dégénérés et non-dégénérés (vortex optiques), et les lasers large bande cohérents appelé aussi «~laser sans mode~».The work presented in this thesis is based on the expertise of the VECSEL group of the Institut d'Électronique de Sud (IES) in the design, implementation and study of VECSEL in the near and mid infrared. Before engaging in the work presented here, the VeCSELs developed in our laboratory involved the usual single-frequency operation with a TEM 00 beam, but pushed to high power and high coherence. The objective of this thesis is to go beyond this conventional state and to explore other coherent states of the photon, unusual in the field of laser emission. These new states apply to both the transverse appearance (spatial) and longitudinal (time) of the wave. More specifically, the laser emission of high power and high coherence on the Laguerre-Gauss higher order modes degenerate and non-degenerate (optical vortex), and the wide band coherent lasers also called "modeless lasers"

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

The work presented in this thesis is based on the expertise of the VECSEL group of the Institut d'Électronique de Sud (IES) in the design, implementation and study of VECSEL in the near and mid infrared. Before engaging in the work presented here, the VeCSELs developed in our laboratory involved the usual single-frequency operation with a TEM 00 beam, but pushed to high power and high coherence. The objective of this thesis is to go beyond this conventional state and to explore other coherent states of the photon, unusual in the field of laser emission. These new states apply to both the transverse appearance (spatial) and longitudinal (time) of the wave. More specifically, the laser emission of high power and high coherence on the Laguerre-Gauss higher order modes degenerate and non-degenerate (optical vortex), and the wide band coherent lasers also called "modeless lasers".Le travail présenté dans cette thèse repose sur l'expertise du groupe VeCSEL du l'Institut d'Électronique de Sud (IES) dans la conception, la réalisation et l'étude des VeCSEL dans le proche et le moyen infrarouge. Avant de s'engager dans le travail présenté ici, les VeCSELs développés au sein de notre laboratoire concernaient l'habituel fonctionnement monofréquence avec un faisceau TEM00, mais repoussé à forte puissance et à haute cohérence. L'objectif de cette thèse est d'aller au delà de cet état conventionnel, et explore d'autres états cohérents du photon, inhabituels dans le domaine de l'émission laser. Ces nouveaux états concernent aussi bien l'aspect transverse (spatial) que longitudinal (temporel) de l'onde. Plus particulièrement, l'émission laser de haute cohérence et de forte puissance sur les modes d'ordre supérieur Laguerre-Gauss dégénérés et non-dégénérés (vortex optiques), et les lasers large bande cohérents appelé aussi «~laser sans mode~»

Time dependent linewidth : beat-note digital acquisition and numerical analysis

International audienc

Laser device with a beam carrying controlled orbital angular momentum

A laser device (250) for generating a helical-shaped optical wave and comprising: (i) a gain region (203) located between one first end defined by a first mirror (202) and a second end defined by an exit region, (ii) a second mirror (206) arranged so as to form with the first mirror (202) an optical cavity including the gain region (203) and a gap (207) between the exit region and the second mirror (206), (iii) means for pumping the gain region (203) so as to generate the optical wave, wherein the laser device (250) further comprises at least one means for shaping the light intensity and/or phase profiles of the optical wave and arranged for selecting at least one rotary-symmetrical transverse mode of the optical wave, said rotary-symmetrical transverse mode being chosen between those with a radial index equal to zero and with an azimuthal index being an integer with a module higher or equal to 1