Noise in coupled VECSEL array - Thèses de Sorbonne Université
Thèse Année : 2024

Noise in coupled VECSEL array

Bruit dans les réseaux de VECSEL couplés

Sopfy Karuseichyk

Résumé

Laser arrays are key components in many areas of science, technology, and civilian applications today. A remarkably new domain of application of laser arrays is the laser solver, which allows to parallelize the computation process spatially. For such applications a low noise array with identical laser's characteristics is required. At the same time, most of the listed applications require a coupling mechanism for the array. Most commonly, solid-state lasers are used today for such applications.However, in this work we present a new type of laser array based on the VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers) with the intracavity coupling control. Such lasers are well known to be extremely low noise lasers. Their dynamics are a remarkable example of class-A dynamical behavior. Such dynamics is accompanied with the filtering of the transferred pump noise above the cavity cut-off frequency. At the same time the VECSEL is a semiconductor laser, which has distinguishing peculiarities, when compared with the solid-state laser. For example, it has a non-negligible Henry factor. Dynamics of such phase locked VECSEL arrays has not been studied yet.This laser is developed with a planar spatially degenerate cavity. Thanks to cavity degeneracy we transform a multimode VECSEL into an array of independent lasers with a designed loss mask. Thanks to the method of array development with a mask, we gain control on the coupling between lasers by the diffraction on the mask. The coupling is determined by the diffraction on the edges of the mask holes and consequent reflection on the output cavity mirror. Reflected field of each laser is injected to the neighboring holes. The coupling coefficient is complex. We numerically quantify it and then develop several models for the laser array dynamics description with considered complexity of the coupling coefficient. Each model characterizes one of the investigated mask topologies.Changes of the mask position were shown experimentally to change the coupling between lasers from zero to values large enough to phase-lock the laser array. We performed a noise measurement both for the unlocked and phase-locked solutions. The measured relative intensity noise spectra of individual lasers confirmed the class-A dynamics of the developed VECSEL array. Based on the cross-correlation on the noises of different lasers we discovered a clear correlation between phase-locking and a noises spectral correlation. Then, we could reproduce numerically and analytically the same results based on the models we developed.A particular interest of the project was situated on a ring laser array. Such arrays are known for their discrete series for the phase-difference solutions when phase-locked. We studied such solutions in our system. Each of them, except for the in-phase phase-locking, corresponds to a vortex with discrete phase increment between lasers. Since good quality vortices are extremely needed for particle micromotoring, information transfer, etc. we deeply studied such solutions in our system. We studied the limitations dictated by the Henry factor and derived a general analytical criterion for the existence of such solutions. We studied asymmetric vortex generation with non-uniform loss masks. Additionally, we studied theoretically the influence of optical feedback on the phase -locking in such a vortex. The noise model of such an array was experimentally confirmed with three lasers. Based on the model we found a simple method of the determination of the vortex sign (direction of the phase accumulation) based on the laser's noise measurements.
Les réseaux de lasers sont des composants clés dans de nombreux domaines de la science, de la technologie et des applications civiles aujourd'hui. Un domaine remarquablement nouveau d'application des réseaux de lasers est le solveur laser, qui permet de paralléliser le processus de calcul spatialement. Pour de telles applications, un réseau de lasers à faible bruit ayant des caractéristiques identiques est nécessaire. En même temps, la plupart des applications répertoriées nécessitent un mécanisme de couplage entre les lasers du réseau. Les lasers à état solide sont les plus couramment utilisés aujourd'hui pour de telles applications.Cependant, dans ce travail, nous présentons un nouveau type de réseau laser basé sur les VECSEL (Lasers à Émission de Surface à Cavité Externe Verticale) avec un contrôle de couplage intra-cavité. De tels lasers sont bien connus pour être des lasers à très faible bruit. Leurs dynamiques sont un exemple remarquable de comportement dynamique de classe A. Ces dynamiques s'accompagnent d'un filtrage du transfert du bruit de pompage au-dessus de la fréquence de coupure de la cavité. En même temps, le VECSEL est un laser à semi-conducteur, ce qui le distingue des lasers à état solide. Par exemple, il présente un facteur de Henry non négligeable. Les dynamiques de ces réseaux de VECSEL verrouillés en phase n'ont pas encore été étudiées.Ce laser est développé à partir d'une cavité plan-plan spatialement dégénérée. Grâce à la dégénérescence de la cavité, nous avons transformé un VECSEL multimode en un réseau de lasers indépendants avec un masque de perte spécialement conçu dans ce but. Nous avons atteint un contrôle sur le couplage entre les lasers dû à la diffraction sur le masque. Le couplage est déterminé par la diffraction sur les bords des trous du masque et la réflexion consécutive sur le miroir de sortie de la cavité. Les champs réfléchis de chaque laser sont injectés dans les trous voisins. Ce couplage est complexe. Nous le quantifions numériquement, puis développons plusieurs modèles pour la description de la dynamique du réseau laser en tenant compte de la complexité du coefficient de couplage. Chaque modèle caractérise l'une des topologies de masque étudiées. Nous avons montré expérimentalement que changer la position du masque permet de changer le couplage entre les lasers de zéro à des valeurs suffisantes pour verrouiller en phase le réseau de lasers. Nous avons effectué une mesure du bruit à la fois pour les solutions non verrouillées et verrouillées en phase. Les spectres de bruit relatif en intensité mesurés des lasers individuels ont confirmé la dynamique de classe A du réseau de VECSEL développé. Sur la base de la corrélation croisée des bruits des différents lasers, nous avons découvert une corrélation claire entre le verrouillage en phase et une corrélation spectrale du bruit. Ensuite, nous avons montré numériquement et analytiquement les mêmes phénomènes basés sur les modèles développés.Un intérêt particulier du projet concernait le réseau laser annulaire. De tels réseaux sont connus pour générer des solutions sous forme de série discrète de différences de phase lorsqu'ils sont verrouillés en phase. Nous avons étudié de telles solutions dans notre système. Chacune d'elles, à l'exception du verrouillage en phase, correspond à un vortex avec un incrément de phase discret entre les lasers. Nous avons étudié les limitations dictées par le facteur de Henry et dérivé une formule analytique générale. Nous avons étudié la génération de vortex asymétrique avec des masques de pertes non uniformes. De plus, nous avons étudié théoriquement l'influence de la rétroaction optique sur le verrouillage de phase dans un vortex. Le modèle de bruit d'un tel réseau a été confirmé expérimentalement avec trois lasers. Sur la base du modèle, nous avons trouvé une méthode simple pour déterminer le signe du vortex (direction de l'accumulation de phase) basée sur les mesures de bruit des lasers.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04699180 , version 1 (16-09-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04699180 , version 1

Citer

Sopfy Karuseichyk. Noise in coupled VECSEL array. Optics [physics.optics]. Sorbonne Université, 2024. English. ⟨NNT : 2024SORUS162⟩. ⟨tel-04699180⟩
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