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Dynamique des lasers : mesure du facteur d’élargissement spectral

publié le , mis à jour le

Contexte scientifique : Nous proposons une méthode originale pour mesurer le facteur de Henry (αH) qui traduit le couplage entre l’indice de réfraction et le gain du milieu amplificateur d’un laser à semi-conducteur. Il a été introduit pour définir le facteur (1+ αH2) qui représente l’élargissement spectral des lasers à semi-conducteur par rapport à la limite fondamentale des lasers [1]. Cette dernière étant limitée par le taux d’émission spontanée dans le milieu à gain qui perturbe le champ laser créé par l’émission stimulée (équation de Schawlow-Townes). Si la dynamique des diodes lasers est étudiée depuis plusieurs dizaines d’années, en revanche pour les lasers à cascade quantique (QCL) les études restent à ce jour peu nombreuses et certaines sont contradictoires. Nous proposons une nouvelle méthode de mesure afin de permettre une meilleure compréhension de la dynamique de ces lasers.

Méthode : La technique qui sera mise en œuvre s’appuie sur des mesures de sensibilité à la rétroaction optique des lasers, dans un régime de faible taux de rétroaction [2]. La rétroaction induit une modification de la fréquence d’émission du laser et de la puissance. On peut montrer que la mesure simultanée de ces deux grandeurs permet de mesurer le coefficient αH. L’originalité de ces mesures reposera sur l’utilisation d’une cavité optique résonnante dans une configuration en V (figure ci-dessous).

Objectif du stage : Il s’agira d’effectuer la mesure du facteur de Henry pour différents lasers à semi-conducteur. Il faudra mettre en place le dispositif expérimental pour effectuer des mesures de la plage d’accrochage de la fréquence du laser et de la variation de la puissance laser. Un modèle devra être développé pour en déduire le facteur αH. Ce travail sera effectué pour des diodes lasers dans le proche infra-rouge ( 2μm) où les mesures pourront être comparées à la littérature ; et dans le moyen infra- rouge ( 5μm) avec des QCL et des ICL (laser à cascade inter-bande), dont la dynamique reste peu étudiée car ces lasers sont récemment apparus sur le marché.

Compétences recherchées : Le candidat devra avoir de bonnes connaissances en optique des lasers ainsi qu’un goût pour l’expérimentation et la modélisation.

Stage de master : proposé à partir de février 2019, pour une durée entre 2 et 6 mois. Poursuite en thèse : Possible (souhaitée).

Responsable de stage : Irène VENTRILLARD, LIPhy, Grenoble irene.ventrillard@univ-grenoble-alpes.fr

https://www-liphy.ujf-grenoble.fr/-LAME-
En collaboration : Jérôme MORVILLE, ILM, Lyon
jerome.morville@univ-lyon1.fr

Laser QCL

Figure 1 : Schéma de principe d’un laser QCL soumis à la rétroaction optique (Optical Feedback) créée par une cavité en V qui est composée de trois miroirs de haute réflectivité (en bleu). Un miroir monté sur un translateur piézoélectrique (PZT) et un atténuateur ajustent respectivement la phase et l’intensité de la rétroaction optique. Le signal est mesuré en sortie de la cavité par une photodiode (PD) et normalisé par la puissance du laser (mesurée avec une autre PD). Le contrôle de la phase à travers le PZT est effectué par un module électronique utilisant pour signal d’erreur la forme des signaux transmis par la cavité. L’équipe dispose de différents montage réalisés selon ce principe qui ont été développés pour la spectroscopie laser d’absorption ultra-sensible (OF-CEAS [3]).

[1] C. H. Henry, “Theory of the Linewidth of Semiconductor Lasers,” IEEE J. Quantum Electron., vol. 18, no. 2, pp. 259–264, 1982.
[2] C. Szwaj, E. Lacot, and O. Hugon, “Large linewidth-enhancement factor in a microchip laser,” Phys. Rev. A - At. Mol. Opt. Phys., vol. 70, no. 3, pp. 4–7, 2004.
[3] J. Morville, S. Kassi, M. Chenevier, and D. Romanini, “Fast, low-noise, mode-by- mode, cavity-enhanced absorption spectroscopy by diode-laser self-locking,” Appl. Phys. B, vol. 80, no. 8, pp. 1027–1038, May 2005.