Chercheurs clés:

• Prof. Thomas Südmeyer ( [email protected] )
• Dr Valentin Wittwer ([email protected])
• Dr Stéphane Schilt ( [email protected] )

Un actuateur permettant de contrôler la fréquence d’offset f_CEO avec une bande passante suffisamment large est un élément clé pour auto-référencer un peigne de fréquence optique. Une modulation de la puissance optique pompant le milieu de gain du laser constitue la méthode actuellement la plus utilisée pour stabiliser la fréquence d’offset f_CEO .

Cependant, la bande passante de modulation est limitée dans ce cas par le temps de vie du niveau supérieur de la transition laser. Pour différents systèmes lasers importants pompés par diodes et basés sur les matériaux Er et Yb, ce temps de vie est de l’ordre de la milliseconde, ce qui limite la bande passante d’asservissement dans la gamme des kilohertz. Une modulation directe de la puissance intra-cavité du laser permet d’atteindre une bande passante supérieure. Par exemple, l’utilisation de modulateurs acousto-optiques ou électro-optiques intra-cavité a permis d’augmenter la vitesse de modulation et de réduire le niveau de bruit du battement d’offset. Cependant, insérer un modulateur supplémentaire dans la cavité d’un laser peut être délicat, par exemple dans des lasers à taux de répétition élevés (multi-gigahertz) dans lesquels les contraintes géométriques limitent une telle approche. De plus, les modulateurs acousto-optiques et électro-optiques intra-cavité peuvent induire d’importantes non-linéarités, ce qui peut déstabiliser le laser, empêcher le verrouillage de modes ou encore introduire des effets de lentille thermique dans les lasers de haute puissance. Récemment, un modulateur électro-optique à graphène présentant une bande passante de l’ordre du mégahertz a été utilisé pour stabiliser la fréquence d’offset f_CEO dans un oscillateur laser à fibre thulium. Cependant, les modulateurs électro-optiques à graphène intra-cavité ne semblent pas adaptés pour la stabilisation des lasers à corps solide pompés par diode à cause de leurs pertes non-saturables relativement élevées (5% dans ce cas) qui sont comparables ou même supérieures au taux de couplage de sortie du laser, ainsi qu’à cause de la faible ouverture de ce type de modulateur qui limite la puissance intra-cavité atteignable.

Au LTF, nous avons développé une nouvelle méthode pour le contrôle de la fréquence d’offset f_CEO d’un peigne de fréquence optique qui combine une large bande passante d’asservissement avec de faibles pertes, de faibles non-linéarités et une faible dispersion. Un miroir semi-conducteur à absorbant saturable (SESAM) à l’intérieur d’un laser à verrouillage de modes est pompé optiquement à l’aide d’un laser continu. De ce fait, le SESAM agit comme un modulateur d’intensité contrôlé optiquement. La puissance d’émission du laser continu constitue un canal de modulation rapide pour le contrôle de la fréquence d’offset f_CEO . Nous avons testé cette méthode expérimentalement dans un oscillateur laser à verre co-dopé Er :Yb ( laser ERGO   [1-2]), dans lequel le SESAM est utilisé à la fois pour initier le verrouillage de modes et comme modulateur intra-cavité à contrôle optique pour réaliser une stabilisation en phase de la fréquence d’offset f_CEO .  Dans ce laser, la fréquence d’offset peut aussi être stabilisée par la méthode traditionnelle de modulation du courant de la diode de pompe.

Nous avons comparé les performances atteintes pour la stabilisation de f_CEO obtenues par la méthode traditionnelle de modulation du gain avec la nouvelle méthode de modulation du SESAM en mesurant la fonction de transfert de f_CEO , la densité spectrale de bruit de fréquence et la déviation Allan pour des temps d’intégration jusqu’à 1'000 s (voir Figures 1 et 2). Pour la modulation traditionnelle du gain, le temps de vie du niveau supérieur de la transition laser se situant dans la gamme de la milliseconde limite la bande passante d’asservissement de f_CEO à <10 kHz. La bande passante atteinte pour la modulation du SESAM est d’un facteur 10 fois plus élevée que pour la modulation traditionnelle du courant du laser de pompe. Le bruit de phase intégré résiduel (de 1 Hz à 100 kHz) du battement CEO a ainsi été amélioré de plus d’un ordre de grandeur (de 720 mrad à moins de 65 mrad), tandis que la stabilité relative de fréquence a été amélioré d’un facteur 4 (de 1∙10^-8 à 2.5∙10^-9 à 1 s).

Ces résultats préliminaires démontrent le haut potentiel de la nouvelle méthode de modulation du SESAM pour la stabilisation du battement CEO d’un peigne de fréquence. Cette méthode combine une faible dispersion, un faible effet de lentille thermique et de faibles pertes, ce qui la rend aisément applicable, également pour les lasers de haute puissance à disque mince. Ces caractéristiques sont attractives pour des applications telles que la génération de hautes harmoniques à l’intérieur de la cavité d’un laser de taux de répétition élevé (MHz) pour produire un rayonnement ultra-violet (VUV/XUV) cohérent et stabilisé en fréquence. Grâce au temps de recombinaison très court des absorbants semi-conducteurs, il ne semble pas y avoir de limite pratique quant à la bande passante atteignable par cette méthode et nous pensons que notre technologie permettra de stabiliser de nouveaux types de lasers à fibre et à corps solide pour lesquels la méthode traditionnelle de stabilisation de la fréquence d’offset f_CEO est peu appropriée.

Figure 1: Comparaison des performances du battement f_CEO stabilisé obtenues avec la méthode standard de modulation du courant du laser de pompe (courbes bleues) et pour la nouvelle méthode par modulation optique du SESAM (courbes rouges) en termes de spectre RF (gauche) et de densité spectrale de bruit de fréquence (droite).

Figure 2: Comparaison de la stabilité relative de fréquence (déviation Allan) de la fréquence f_CEO obtenue d’une part avec la méthode standard de modulation du courant du laser de pompe (courbe bleue) et d’autre part pour la nouvelle méthode par modulation optique du SESAM (courbe rouge).
 

Principales publications:   

1. S. Schilt, N. Bucalovic, V. Dolgovskiy, C. Schori, M. C. Stumpf, G. Di Domenico, S. Pekarek, A. E. H. Oehler, T. Südmeyer, U. Keller, P. Thomann, Fully stabilized optical frequency comb with sub-radian CEO phase noise from a SESAM modelocked 1.5-μm solid-state laser, Opt. Express 19(24), 24171-24181 (2011) PDF
2. S. Schilt, V. Dolgovskiy, N. Bucalovic, C. Schori, M. C. Stumpf, G. Di Domenico, S. Pekarek, A. E. H. Oehler, T. Südmeyer, U. Keller, P. Thomann, Noise properties of an optical frequency comb from a SESAM-modelocked 1.5 µm solid-state laser stabilized to the 10-13 level, Appl. Phys. B 109 (3), 391-402 (2012) PDF
3. M. Hoffmann, S. Schilt, T. Südmeyer, CEO stabilization of a femtosecond laser using a SESAM as fast opto-optical modulator, Optics Express 21 (24), 30054-30064 (2013) PDF