Faculté des sciences

Novel laser sources for metrology and spectroscopy

Gürel, Kutan ; Südmeyer, Thomas (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2017.

Les lasers ont révolutionné le domaine de la photonique en tant que source de lumière intense et cohérente capable de réaliser de nombreuses fonctionnalités. Ils sont largement utilisés dans les applications industrielles et médicales, ainsi que pour la recherche scientifique. Deux domaines d'application importants sont la métrologie optique et la spectroscopie. Les lasers à cascade... Plus

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    Résumé
    Les lasers ont révolutionné le domaine de la photonique en tant que source de lumière intense et cohérente capable de réaliser de nombreuses fonctionnalités. Ils sont largement utilisés dans les applications industrielles et médicales, ainsi que pour la recherche scientifique. Deux domaines d'application importants sont la métrologie optique et la spectroscopie. Les lasers à cascade quantique (QCL pour « quantum cascade laser ») couvrent une vaste gamme spectrale dans l'infrarouge moyen où la plupart des molécules présentent de fortes raies d'absorption caractéristiques, agissant telle une empreinte digitale des molécules. Les QCL sont particulièrement adaptés à la spectroscopie moléculaire de précision, cependant leur gamme d'accordabilité en longueur d'onde est limitée. De meilleurs mécanismes permettant de moduler leur fréquence permettraient d'améliorer de nombreuses applications. D'autre part, les peignes de fréquences optiques produits par des lasers à verrouillage de mode couvrent une large bande spectrale et s'avèrent être des outils idéaux pour la métrologie optique et la spectroscopie. Cependant, de nombreuses sources de peignes optiques utilisées de nos jours présentent certains inconvénients, notamment au niveau de leur complexité, coût et taille. Cette thèse présente de nouvelles directions pour améliorer d'une part les QCLs et d'autre part les peignes de fréquences optiques pour la spectroscopie et la métrologie.
    La première partie de ce travail est consacrée à un peigne de fréquences optique généré par un laser titane:saphir. Les solutions habituelles de pompage dans le bleu-vert pour les lasers titane:saphir sont volumineuses, coûteuses, peu efficaces et contraignantes en termes de maintenance. De plus, leur puissance optique ne peut généralement pas être directement modulée, ce qui empêche de mettre en œuvre la méthode la plus simple pour l'auto-référencement d'un peigne, c'est-à-dire la stabilisation du décalage de phase entre la porteuse et l'enveloppe des impulsions (carrier-envelope offset en anglais, CEO). Dans cette thèse, l'utilisation de nouvelles diodes lasers émettant dans le vert comme sources de pompage est démontrée. Ce travail a donné lieu à des rendements optiques records pour les lasers titane:saphir pompés par diode. Un rendement de plus de 20% a ainsi été obtenu en régime continu avec une puissance de sortie de 650 mW, et supérieur à 15% en fonctionnement en verrouillage de mode, avec une puissance optique moyenne de 450 mW. Les diodes de pompe vertes présentent de moins bonnes caractéristiques spectrales et spatiales par rapport aux autres sources de pompage utilisées habituellement dans les peignes de fréquence titane:saphir. Dans ce travail, ce défi a pu être surmonté, menant à la première détection et stabilisation de la fréquence CEO d'un laser titane:saphir pompé par diode. Ce travail démontre le haut potentiel du pompage direct par diodes qui peut mener à une nouvelle génération de lasers titane:saphir économiques et compacts.
    Dans la deuxième partie de ce travail, une nouvelle méthode de stabilisation est démontrée pour les peignes de fréquence générés par des lasers à fibre. De nos jours, les lasers à fibre représentent la majorité des peignes de fréquence commerciaux, car ils sont compacts, faciles à utiliser et polyvalents. Cependant, la méthode traditionnelle de stabilisation de la fréquence CEO par modulation du laser de pompe est fortement limitée dans sa bande passante par la longue durée de vie de l’état excité du gain. Par conséquent, des modulateurs supplémentaires sont nécessaires pour réaliser des peignes à faible bruit. Ici, la première stabilisation de la fréquence CEO d'un laser à fibre est démontrée par modulation opto-optique d'un composant semiconducteur. Par rapport à la modulation standard du courant du laser de pompe, la bande passante de modulation est améliorée d'un facteur supérieur à 60, ce qui permet d'atteindre un régime à bas bruit pour les peignes de fréquence basés sur des lasers à fibre.
    Dans l'étude finale de cette thèse, une nouvelle génération de QCLs est évaluée, qui présente des propriétés d'accordabilité en fréquence améliorées. Les mécanismes existants de balayage en longueur d'onde utilisent d'une part la température du laser et d'autre part le courant d'injection. Le réglage par la température est lent, tandis que celui par le courant d'injection influence aussi la puissance optique du laser. Ici les propriétés d'accord de fréquence et de modulation d'un QCL par l’intermédiaire d'un élément résistif intégré à proximité de la zone active du laser sont étudiées. Ce nouvel élément permet un contrôle rapide de la fréquence du laser avec des effets minimaux sur sa puissance de sortie. Dans une expérience de spectroscopie simple, le bénéfice de ce nouvel actuateur est démontré.
    Summary
    Lasers have revolutionized the photonics field as a coherent intense light source, capable of performing many tasks. They are widely used in industrial and medical applications, as well as for scientific research. Two important areas of applications are frequency metrology and spectroscopy. Quantum cascade lasers (QCL) cover a wide spectral region in the mid-infrared where most molecules exhibit strong characteristic absorption lines, the so-called molecular fingerprint. QCLs are highly suited for precise molecular spectroscopy, but in their standard configuration, their tuning range is limited. Better frequency tuning mechanisms are required, which can improve many applications. Frequency combs from mode-locked lasers cover a large optical bandwidth and are proven to be ideal tools for frequency metrology. However, many commonly used comb sources have strong drawbacks, in particular with respect to complexity, cost and size. This thesis presents novel directions to improve both QCLs and frequency combs for spectroscopy and metrology.
    In the first part of this work, I focus on simple frequency combs generated by Ti:Sapphire lasers. The standard blue-green pumping solutions for Ti:Sapphire lasers are bulky, expensive, have low efficiency, and require a high degree of maintance. Moreover, they usually lack direct power modulation, which is an advantage for simple implementation of carrier-envelope offset (CEO) stabilization. In this thesis, I investigated the suitability of newly-emerged green laser diodes as pump sources. This work resulted in record-high optical-to-optical efficiencies for diode-pumped Ti:Sapphire lasers. More than 20% with 650 mW of output power for continuous wave, and 15% with 450 mW of output power for mode-locked operation of the laser have been obtained. Green pump diodes exhibit poor spectral and spatial properties compared to other previously used pump sources for Ti:Sapphire frequency combs. In this work, I showed that this challenge can be overcome and demonstrated the first CEO frequency detection and stabilization of a diode-pumped mode-locked Ti:Sapphire laser. Our work indicates the high potential of direct diode-pumping, and might lead to a new generation of cost-efficient and compact Ti:Sapphire lasers.
    In the second part of this work, I investigate a novel comb stabilization method for fiber lasers. Today, fiber lasers constitute the majority of commercial frequency combs, because they are compact, easy-to-use and versatile. However, the traditional method of pump modulation is severely limited in feedback bandwidth due to the long gain lifetime, and low-noise sources require additional modulators. Here I demonstrate the first CEO frequency stabilization of an ultrafast fiber laser using opto-optical modulation of a semiconductor chip. Compared to standard pump modulation, the modulation bandwidth is improved by at least a factor of 60, enabling low-noise operation of the fiber laser frequency comb.
    In the final study of this thesis, I evaluate a new generation of QCLs with improved frequency tuning properties. Existing frequency tuning mechanisms involve laser mount temperature and laser injection current tuning. Temperature tuning suffers from lack of speed and injection current tuning affects the optical output power due to the cross-talk. Here, I study the frequency tuning and modulation properties of a QCL with an integrated resistive heater placed in close proximity to the active region of the laser. This new heater enables fast actuation of the laser frequency with minimal effects on the laser output power. In a simple spectroscopy experiment, I clearly show that this new technique is a highly promising frequency actuator.