Microchip Laser: Coupling and Polarisation Dynamics
Microlasers : Dynamique de Couplage et de Polarisation
Résumé
This work takes place within the general framework of the study of the oscillators coupling. Two aspects are approached which respectively concern the coupling by proximity of two microchip lasers within a same wafer and the interactions between polarisation modes in quasi isotropic microchip YAG lasers.
The experimental study of the two coupled continuous lasers reveals three different dynamic regimes which appear successively as the frequency detuning of the lasers cavities decreases: i) almost independent lasers, ii) periodic and chaotic instabilities and iii) phase locking.
Contrary to most previous studies, the model developed to account for laser coupling introduces a complex coefficient linking the field amplitudes. It remarkably reproduces all the experimental results. This leads us to propose a reliable measurement method of this coupling coefficient. A detailed study of the origins of the coupling, i.e. the overlap between laser modes and the non uniform profile of the gain and of the refraction index, allows to derive an analytical expression of the coupling coefficient which reproduces well the evolution of its real and imaginary parts versus the distance between lasers.
The polarisation dynamics of microchip YAG lasers, and in particular, of the Nd3+,Cr4+:YAG lasers, brings into play the stress-induced birefringence, the gain anisotropy induced by a linearly polarised pump beam and the anisotropy of the saturable absorber. According to the relative importance of these various anisotropies, the laser emits in one and/or the other of the birefringence eigenmodes or can have, in some cases detailed here, a linear polarisation perpendicular to one of the absorber crystal axes.
The experimental observations could be reproduced analytically and/or numerically using a model which accounts for the temporal evolution of the field components along the birefringence eigenaxes as well as that of their relative phase. The basis of this model are discussed.
The experimental study of the two coupled continuous lasers reveals three different dynamic regimes which appear successively as the frequency detuning of the lasers cavities decreases: i) almost independent lasers, ii) periodic and chaotic instabilities and iii) phase locking.
Contrary to most previous studies, the model developed to account for laser coupling introduces a complex coefficient linking the field amplitudes. It remarkably reproduces all the experimental results. This leads us to propose a reliable measurement method of this coupling coefficient. A detailed study of the origins of the coupling, i.e. the overlap between laser modes and the non uniform profile of the gain and of the refraction index, allows to derive an analytical expression of the coupling coefficient which reproduces well the evolution of its real and imaginary parts versus the distance between lasers.
The polarisation dynamics of microchip YAG lasers, and in particular, of the Nd3+,Cr4+:YAG lasers, brings into play the stress-induced birefringence, the gain anisotropy induced by a linearly polarised pump beam and the anisotropy of the saturable absorber. According to the relative importance of these various anisotropies, the laser emits in one and/or the other of the birefringence eigenmodes or can have, in some cases detailed here, a linear polarisation perpendicular to one of the absorber crystal axes.
The experimental observations could be reproduced analytically and/or numerically using a model which accounts for the temporal evolution of the field components along the birefringence eigenaxes as well as that of their relative phase. The basis of this model are discussed.
Ce travail s'inscrit dans le cadre général de l'étude des mécanismes de couplage entre oscillateurs. Deux aspects sont abordés qui concernent respectivement le couplage par proximité de deux microlasers au sein d'une même galette et les interactions entre modes de polarisation dans les microlasers YAG présentant de faibles anisotropies.
L'étude expérimentale du couplage de deux lasers continus a mis en évidence trois régimes dynamiques différents qui apparaissent successivement à mesure que les fréquences propres des cavités des lasers se rapprochent : i) lasers quasi indépendants, ii) instabilités périodiques et chaotiques et iii) verrouillage de phase des lasers.
Le modèle développé pour rendre compte des caractéristiques du couplage introduit un coefficient de couplage complexe. Il reproduit de façon remarquable l'ensemble des résultats expérimentaux et de plus a permis de proposer une méthode fiable de mesure du coefficient de couplage. Une étude détaillée du recouvrement entre les modes des lasers et le profil non uniforme du gain et de l'indice de réfraction a permis d'établir une expression analytique reproduisant correctement l'évolution des parties réelle et imaginaire du coefficient de couplage en fonction de la distance entre lasers.
La dynamique de polarisation des microlasers YAG, et en particulier des lasers Nd3+,Cr4+:YAG, met en jeu la biréfringence liée aux contraintes locales, l'anisotropie de gain induite par un faisceau de pompe polarisé linéairement et de celle de l'absorbant saturable. Suivant l'importance relative de ces différentes anisotropies, le laser peut émettre dans l'un et/ou l'autre des modes propres de la biréfringence ou avoir une polarisation orientée de façon privilégiée suivant l'un des axes cristallins de l'absorbant.
Les observations expérimentales ont pu être reproduites analytiquement et/ou numériquement à l'aide d'un modèle qui rend compte de l'évolution temporelle des composantes du champ selon les axes propres de la biréfringence ainsi que celle de leur phase relative. L'anisotropie du gain est décrite par deux coefficients d'anisotropie respectivement relatifs à la pompe et au laser. L'anisotropie de l'absorbant saturable est prise en compte grâce à l'introduction d'inversions de populations associées à chacun des axes cristallins.
L'étude expérimentale du couplage de deux lasers continus a mis en évidence trois régimes dynamiques différents qui apparaissent successivement à mesure que les fréquences propres des cavités des lasers se rapprochent : i) lasers quasi indépendants, ii) instabilités périodiques et chaotiques et iii) verrouillage de phase des lasers.
Le modèle développé pour rendre compte des caractéristiques du couplage introduit un coefficient de couplage complexe. Il reproduit de façon remarquable l'ensemble des résultats expérimentaux et de plus a permis de proposer une méthode fiable de mesure du coefficient de couplage. Une étude détaillée du recouvrement entre les modes des lasers et le profil non uniforme du gain et de l'indice de réfraction a permis d'établir une expression analytique reproduisant correctement l'évolution des parties réelle et imaginaire du coefficient de couplage en fonction de la distance entre lasers.
La dynamique de polarisation des microlasers YAG, et en particulier des lasers Nd3+,Cr4+:YAG, met en jeu la biréfringence liée aux contraintes locales, l'anisotropie de gain induite par un faisceau de pompe polarisé linéairement et de celle de l'absorbant saturable. Suivant l'importance relative de ces différentes anisotropies, le laser peut émettre dans l'un et/ou l'autre des modes propres de la biréfringence ou avoir une polarisation orientée de façon privilégiée suivant l'un des axes cristallins de l'absorbant.
Les observations expérimentales ont pu être reproduites analytiquement et/ou numériquement à l'aide d'un modèle qui rend compte de l'évolution temporelle des composantes du champ selon les axes propres de la biréfringence ainsi que celle de leur phase relative. L'anisotropie du gain est décrite par deux coefficients d'anisotropie respectivement relatifs à la pompe et au laser. L'anisotropie de l'absorbant saturable est prise en compte grâce à l'introduction d'inversions de populations associées à chacun des axes cristallins.