Le contrôle de la lumière dans un milieu désordonné en présence de gain : façonnage spatial de la pompe dans les amplificateurs et les lasers à fibre

Control of light in a disordered medium with gain : wavefront-shaping the pump in fiber amplifiers and fiber lasers

• Auteur / Autrice : Tom Sperber
• Direction : Sylvain Gigan, Patrick Sebbah
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/06/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Yannick De Wilde
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mélanie Lebental, Claire Michel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yaron Bromberg, Alain Barthélémy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pompage optique

Amplificateurs microondes

Fibres multimodes

Gain (électronique)

Lasers à fibre

Mots clés libres

Milieux désordonnés

Façonnage de front d'onde

Fibres multimodes

Fibres à gain

Lasers à fibre

Amplificateurs

Wavefront shaping

Multimode fibers

Amplifying fibers

Résumé

L'émergence récente des techniques de façonnage spatial a démontré la possibilité de contrôler la propagation de la lumière à travers des milieux désordonnés, telles que des fibres multimodes. Le cas particulier d'une fibre multimode à gain présente une complexité supplémentaire, car la pompe, elle-même multimode, peut agir sur le signal dans des profils d'amplification spatialement complexes. Le gain hétérogène résultant est donc équivalent à un processus de diffusion non unitaire. Ces systèmes peuvent trouver leur applications plusieurs domaines, notamment les communications optiques, les lasers à fibre de haute puissance, et les lasers aléatoires. Dans ce travail, nous considérons une fibre multimode dopée par un élément de terre rare et pompée par une pompe cohérent dont le faisceau passe par un schéma de mise en forme de front d’onde. Cette architecture nous permet de configurer la composition modale de l’excitation dans la fibre. Nous explorons la possibilité d'exploiter les degrés de liberté ainsi offerts dans le pompage pour contrôler le signal en sortie. Un modèle théorique et son implémentation numérique permettent de quantifier les degrés de contrôle réalisable, tout en révélant les mécanismes fondamentaux qui les limitent. Dans une configuration d’amplificateur, les expériences ont permis de valider les prédictions du modèle en montrant un effet significatif du façonnage de la pompe sur le speckle à la sortie de l’amplificateur. Dans une configuration de la cavité d'effet laser, les travaux expérimentaux ont démontré la capacité du schéma de modulation de favoriser les modes laser choisis.

The recent advent of wavefront-shaping techniques has demonstrated the ability to control the propagation of light through a broad range of complex media, amongst them multimode fibers. The case of a multimode fiber which is also a gain medium presents increased complexity, since the pump beam, in itself multimode, may act upon the signal light in speckle-like spatial profiles of amplification. The resulting heterogeneous gain may be viewed as analogous to a non-unitary scattering process. Interest in the study of such systems has recently risen in several domains, such as optical communications, high-power fiber lasers, and random lasers. In this work, we consider a multimode fiber doped by a rare-earth element, and pumped by a coherent pump beam that passes through a wave-front shaping scheme, rendering the modal composition of the excitation within the fiber configurable. We explore the possibility of harnessing the degrees of freedom thus offered in the pumping, for controlling the output signal of such a gain system. A theoretical model and its implementation as a numerical solver serve to quantify the degree of achievable control, as well as providing insights into the fundamental mechanisms limiting it. In an amplifier configuration, the experimental work successfully validated the model’s predictions by showing a significant effect of the wave-front shaping of the pump upon the speckle at the amplifier’s output. In the lasing cavity configuration, the experimental work demonstrated the ability of the pump modulation scheme to influence the lasing emission, in particular to favor or suppress chosen lasing modes.