Theoretical and experimental study of two-frequency solid-state lasers in the GHz to THz ranges. Applications to radars and generation of submillimeter waves
Etude théorique et expérimentale des lasers solides bi-fréquences dans les domaines GHz à THz, en régime continu ou impulsionnel. Applications opto-microondes
Résumé
We explored some new features of single- and dual-frequency solid-state lasers oscillating in continuous-wave or pulsed regimes.
Firstly, we have developed some techniques to optimise the characteristics of pulsed lasers. (i) A weak modulation of the pump power made it possible to obtain a stable repetition rate with a relative stability of 10-6. (ii) The pulse duration was continuously controlled from ten nanoseconds to a few hundreds nanoseconds by three different methods : adjustment of the laser beam diameter in the absorber, adjustment of the pump beam diameter in the active medium, and, in particular, the use of forked eigenstates in a two-axis laser. Moreover, the forked eigenstates allows (iii) to increase the pulse energy by coherent addition of the pulses.
A compact two-frequency Nd:YAG−Cr:YAG laser with a beat note frequency continuously adjustable up to 2,7 GHz was demonstrated. The two-frequency pulses are ideal sources to meet various needs of applications such as the Doppler lidar-radar. Moreover, we show that two-frequency pulses at 1,55 μm can be obtained by using a new c-cut Co:ASL saturable absorber in an Er-Yb:glass laser. These pulses are perfectly adapted to free-space detection systems requiring eye safety. The coherence time of the beat note in these lasers was also studied : it is limited by the pulse duration. A new technique of modulating the pump power of a solid-state laser at frequencies close to its relaxation oscillation frequency was studied and made it possible to generate a beat note coherence from pulse to pulse.
Frequency conversion techniques using the nonlinear optical effects make it possible to obtain tunable two-frequency sources in the visible spectrum. Green and red two-frequency pulses were obtained by using different conversion techniques, intracavity or extracavity. A two-frequency THz source in the red spectrum was also obtained by doubling the frequencies of a two-frequency THz Er-Yb:glass laser using a mixed fan-out PPLN crystal. Applications to the generation of microwaves and submillimeter waves using these two-frequency sources in the visible spectrum are discussed.
Firstly, we have developed some techniques to optimise the characteristics of pulsed lasers. (i) A weak modulation of the pump power made it possible to obtain a stable repetition rate with a relative stability of 10-6. (ii) The pulse duration was continuously controlled from ten nanoseconds to a few hundreds nanoseconds by three different methods : adjustment of the laser beam diameter in the absorber, adjustment of the pump beam diameter in the active medium, and, in particular, the use of forked eigenstates in a two-axis laser. Moreover, the forked eigenstates allows (iii) to increase the pulse energy by coherent addition of the pulses.
A compact two-frequency Nd:YAG−Cr:YAG laser with a beat note frequency continuously adjustable up to 2,7 GHz was demonstrated. The two-frequency pulses are ideal sources to meet various needs of applications such as the Doppler lidar-radar. Moreover, we show that two-frequency pulses at 1,55 μm can be obtained by using a new c-cut Co:ASL saturable absorber in an Er-Yb:glass laser. These pulses are perfectly adapted to free-space detection systems requiring eye safety. The coherence time of the beat note in these lasers was also studied : it is limited by the pulse duration. A new technique of modulating the pump power of a solid-state laser at frequencies close to its relaxation oscillation frequency was studied and made it possible to generate a beat note coherence from pulse to pulse.
Frequency conversion techniques using the nonlinear optical effects make it possible to obtain tunable two-frequency sources in the visible spectrum. Green and red two-frequency pulses were obtained by using different conversion techniques, intracavity or extracavity. A two-frequency THz source in the red spectrum was also obtained by doubling the frequencies of a two-frequency THz Er-Yb:glass laser using a mixed fan-out PPLN crystal. Applications to the generation of microwaves and submillimeter waves using these two-frequency sources in the visible spectrum are discussed.
Nous explorons quelques aspects nouveaux des lasers solides impulsionnels ou continus fonctionnant en régimes mono-fréquence ou bi-fréquence.
Tout d'abord, nous avons mis au point quelques techniques pour optimiser les caractéristiques des lasers impulsionnnels. (i) Une faible modulation de la puissance de pompe a permis de rendre stable le taux de répétition avec une stabilité relative de 10-6. (ii) La durée des impulsions a été contrôlée continûment d'une dizaine de ns à quelques centaines de ns par trois méthodes différentes : l'ajustement du diamètre du faisceau laser dans l'absorbant saturable, l'ajustement du diamètre du faisceau de pompe dans le milieu actif, et, en particulier, l'utilisation des états fourchus dans un laser à deux axes. De plus, cette méthode des états fourchus a aussi permis (iii) d'augmenter l'énergie des impulsions par addition cohérente.
Un laser tout compact Nd:YAG-Cr:YAG à deux fréquences dont la différence est continûment accordable jusqu'à 2,7 GHz a été construit. Les impulsions bi-fréquences sont idéales pour répondre aux besoins des applications telles que le lidar-radar Doppler. En outre, nous montrons que les impulsions bi-fréquences à 1,55 μm peuvent être obtenues en utilisant un nouvel absorbant saturable Co:ASL taillé suivant l'axe c dans un laser Er-Yb:verre. Ces impulsions sont parfaitement adaptées aux systèmes de détection en espace libre nécessitant la sécurité oculaire. Le temps de cohérence du battement dans ces lasers a aussi été étudié : il est limité à la durée de l'impulsion. Une nouvelle technique de modulation de la puissance de pompe au voisinage de la fréquence d'oscillation de relaxation du laser a été étudiée et a permis d'obtenir des battements cohérents d'impulsion à impulsion.
La conversion de fréquence utilisant des effets optiques non linéaires a permis d'obtenir des sources bi-fréquences dans le visible. Des impulsions bi-fréquences vertes et rouges ont été obtenues. Une source THz dans le rouge a aussi été réalisée en utilisant un laser à deux axes Er-Yb:verre doublé dans un cristal mixte “en éventail” de PPLN. Les applications à la génération de micro-ondes et d'ondes sub-millimétriques sont discutées.
Tout d'abord, nous avons mis au point quelques techniques pour optimiser les caractéristiques des lasers impulsionnnels. (i) Une faible modulation de la puissance de pompe a permis de rendre stable le taux de répétition avec une stabilité relative de 10-6. (ii) La durée des impulsions a été contrôlée continûment d'une dizaine de ns à quelques centaines de ns par trois méthodes différentes : l'ajustement du diamètre du faisceau laser dans l'absorbant saturable, l'ajustement du diamètre du faisceau de pompe dans le milieu actif, et, en particulier, l'utilisation des états fourchus dans un laser à deux axes. De plus, cette méthode des états fourchus a aussi permis (iii) d'augmenter l'énergie des impulsions par addition cohérente.
Un laser tout compact Nd:YAG-Cr:YAG à deux fréquences dont la différence est continûment accordable jusqu'à 2,7 GHz a été construit. Les impulsions bi-fréquences sont idéales pour répondre aux besoins des applications telles que le lidar-radar Doppler. En outre, nous montrons que les impulsions bi-fréquences à 1,55 μm peuvent être obtenues en utilisant un nouvel absorbant saturable Co:ASL taillé suivant l'axe c dans un laser Er-Yb:verre. Ces impulsions sont parfaitement adaptées aux systèmes de détection en espace libre nécessitant la sécurité oculaire. Le temps de cohérence du battement dans ces lasers a aussi été étudié : il est limité à la durée de l'impulsion. Une nouvelle technique de modulation de la puissance de pompe au voisinage de la fréquence d'oscillation de relaxation du laser a été étudiée et a permis d'obtenir des battements cohérents d'impulsion à impulsion.
La conversion de fréquence utilisant des effets optiques non linéaires a permis d'obtenir des sources bi-fréquences dans le visible. Des impulsions bi-fréquences vertes et rouges ont été obtenues. Une source THz dans le rouge a aussi été réalisée en utilisant un laser à deux axes Er-Yb:verre doublé dans un cristal mixte “en éventail” de PPLN. Les applications à la génération de micro-ondes et d'ondes sub-millimétriques sont discutées.
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