Etude du bruit quantique dans les lasers à semiconducteur et à solide
Résumé
The thesis focuses on the study of quantum noise in semiconductor and solid state lasers. The principle of pump noise suppression is employed together with different methods to reduce the intensity noise. First, edge emitting laser diodes were investigated using different types of line narrowing techniques at room temperature: feedback from an external grating and injection locking. The measured intensity squeezing is 1.6 dB and 2.3 dB respectively. The intensity noise of the laser diodes is shown to result from a cancellation between very large anticorrelated fluctuations of the main mode and of many weak longitudinal side modes. Measurements performed at low temperature point to the relevance of quantum correlations between orthogonal polarised modes. The next step was the investigation of vertical cavity semiconductor lasers (VCSELs). Sub shot noise operation (0.7 dB) is observed in a multimode VCSEL, resulting from very strong anticorrelations between transverse modes. A detailed study of these anticorrelations is performed through the analysis of the transverse spatial distribution of the intensity noise. A Nd:YVO4 microchip laser pumped by a squeezed laser diode was also studied. The effects of the pump noise on the intensity noise of the microchip laser are clearly shown. The implementation of a non-standard feedback loop on the pump laser diode shows evidence for non linear effects in the noise spectrum. Injection locking technique is also successfully employed to suppress the relaxation oscillation noise peak. Finally, an application of intensity squeezed laser diodes is presented. Frequency modulation technique together with sub shot noise laser diodes is employed for detection of absorption signals in a high sensitivity spectroscopy experiment.
La thèse est consacrée à l'étude du bruit quantique dans les lasers à semiconducteur et à solide. Le principe de la suppression du bruit de pompe est utilisé avec différentes méthodes pour réduire le bruit d'intensité. Les lasers semiconducteur à ruban ont été étudiés en utilisant différents types de techniques d'affinement spectral à température ambiante : diode sur réseau et injection optique. La compression de bruit mesurée est de 1.6 dB et 2.3 dB respectivement. La principale conclusion de cette étude est que le bruit d'intensité des diodes laser résulte de l'annulation entre les fluctuations fortement anticorrélées du mode principal et des faibles et nombreux modes longitudinaux Les mesures effectuées à basse température montrent l'importance des corrélations quantiques entre modes de polarisation orthogonale. L'étape suivante est l'étude des lasers semiconducteur à microcavité (VCSELs). Une compression de bruit de 0.7 dB sous le bruit quantique standard, résultant de fortes anticorrélations entre les modes transverses, a été observée dans un VCSEL multimode. Une étude approfondie de ces anticorrélations est effectuée analysant la distribution spatiale transverse du bruit d'intensité. Un microlaser Nd: YVO4 pompé par diode à bruit comprimé a aussi été étudié. Les effets du bruit de pompe sur le bruit d'intensité du microlaser sont clairement mis en évidence. La réalisation d'une boucle de rétroaction non standard sur la diode laser de pompe révèle l'existence d'effets non linéaires dans le spectre de bruit. La technique de l'injection optique a aussi été utilisée avec succès pour supprimer l'oscillation de relaxation. Enfin, une application des diodes laser à bruit comprimé est présentée. La technique de la modulation de fréquence est employée avec des laser à bruit d'intensité sous le bruit quantique standard pour la détection de signaux d'absorption dans une expérience de spectroscopie de haute sensibilité.
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