Cette thèse porte sur la conception, la réalisation et l'étude expérimentale d'une source laser bifréquence de haute cohérence émettant à 1 µm en vue d'obtenir par photomélange un émetteur THz. Nous nous intéressons plus particulièrement aux lasers à semiconducteur émettant par la surface en cavité externe verticale (VeCSEL), l'objectif étant d'obtenir un fonctionnement laser bifréquence robuste en régime continu, basé sur la coexistence simultanée de deux modes transverses de Laguerre-Gauss. La sélection de seulement deux modes transverses est réalisée grâce à des masques de pertes insérés intracavité dans le plan transverses. Les caractéristiques du laser bifréquence, telles que l'équilibre entre les puissances des deux modes, le caractère monofréquence de chacun des deux modes, l'accordabilité de l'écart de fréquence, la simultanéité de l'émission et la cohérence du battement THz obtenu, sont étudiées. Enfin, la génération THz par photomélange est effectuée grâce au VeCSEL bifréquence et à une photodiode UTC commerciale. / This work focuses on the design, realization and experimental study of highly coherent dual-frequency laser sources emitting at 1 µm for THz radiation generation by photomixing. We are particularly interested in vertical-external-cavity surface-emitting laser (VeCSEL), the aim being to obtain a robust dual-frequency continuous wave operation, based on simultaneous coexistence of two Laguerre-Gaussian transverse modes. We design intracavity transverse selective losses mask to select only the two Laguerre-Gaussian modes. The stable and simultaneous dual-frequency operation, the beat-frequency tunability range and the temporal coherence was specifically studied. We demonstrated THz emission by seeding a uni-travelling-carrier photodiode by an optically-pumped dual-frequency vertical-external-cavity surface-emitting.

Les sources cohérentes de lumière émettant deux fréquences optiques avec une différence largement accordable dans le domaine radiofréquence et un fort degré de corrélation entre leurs fluctuations respectives peuvent être d’un grand intérêt pour de nombreuses applications telles que la photonique micro-onde, les horloges atomiques ultra stables, la physique atomique, la métrologie, etc. C’est le cas des lasers bifréquences émettant deux modes de polarisations linéaires croisées avec une différence de fréquence dans le domaine radiofréquence. Nous comparons les caractéristiques de telles sources bifréquences basées sur des lasers à semiconducteurs (VECSEL: vertical-external-cavity surface-emitting laser) ou des lasers à solide (notamment les solides dopés Nd3+ ou Er3+). Au-delà de la différence évidente entre les mécanismes de gain dans les lasers à semiconducteurs et dans les lasers à solide, le VECSEL bifréquence et le laser Nd:YAG bifréquence ne présentent pas la même dynamique. Le VECSEL bifréquence, comme pour un laser de classe A, a une dynamique dénuée d’oscillations de relaxation puisque la durée de vie des photons dans la cavité est beaucoup plus longue que celle de l’inversion de population. A l’opposé, le laser Nd:YAG bifréquence possède une dynamique présentant des oscillations de relaxation comme pour un laser de classe B, en vertu du fait que la durée de vie des photons dans la cavité est plus courte que celle de l’inversion de population. Dans cette thèse, nous explorons les mécanismes par lesquels cette dynamique, en plus du couplage non linéaire entre les deux modes, gouverne le bruit dans les lasers bifréquences. En particulier, nous analysons à la fois expérimentalement et théoriquement les propriétés spectrales des différents bruits (intensité, phase) ainsi que leurs corrélations dans le cas d’un VECSEL bifréquence de classe A et d’un laser Nd:YAG bifréquence de classe B. Enfin, un modèle de réponse linéaire de deux oscillateurs amortis couplés permet d’interpréter les résultats obtenus sur la corrélation entre ces différents bruits. / Coherent sources emitting two optical frequencies with a widely tunable frequency difference lying in the radio-frequency range and having a high degree of correlation between their fluctuations can be useful for numerous applications such as microwave photonics, ultra-stable atomic clocks, atom manipulation and probing, metrology, etc. Dual-frequency lasers, which emit two orthogonal linearly polarized modes with a frequency difference lying in the radio-frequency range, have huge potentials for the above mentioned applications. We compare the characteristics of such dual-frequency oscillation in lasers based on either semiconductor (VECSEL: vertical-external-cavity surface-emitting laser) or solid-state active media (mainly Nd3+, or Er3+ doped crystalline host). Apart from the obvious difference between the gain mechanisms in semiconductor and solid-state laser media, the dual-frequency VECSEL and the dual-frequency Nd:YAG laser exhibit different dynamical behaviors. The dual-frequency VECSELs exhibit relaxation oscillation free class-A dynamics as the photon lifetime inside the cavity is longer than the population inversion lifetime. On the contrary, the dual-frequency Nd:YAG lasers obey class-B dynamics linked with the fact that the photon lifetime inside the cavity is shorter than the population inversion lifetime, leading to the existence of relaxation oscillations. In this thesis, we figure out how the laser dynamics, in addition to the nonlinear coupling between the two laser modes, governs different noise phenomena in dual-frequency lasers. In particular, we demonstrate, both experimentally and theoretically, the influence of the laser dynamics and the nonlinear coupling between the two modes on the laser noise, by analyzing the spectral properties of the different noises (intensity, phase) and their correlation in a class-A dual-frequency VECSEL (vertical-external-cavity surface emitting laser) and a class-B dual-frequency Nd:YAG laser. Moreover, the noise correlation results are interpreted in terms of the linear response of two coupled damped oscillators.

Les lasers à état solide bi-fréquences constituent des sources de choix pour de nombreux domaines (métrologie, photonique micro-onde, Lidar-Radar, horloges atomiques). Cependant, de tels lasers souffrent d'excès de bruit d'intensité difficiles à supprimer avec les méthodes habituelles. Dans ce contexte, nous développons une nouvelle approche baptisée « buffer reservoir » pour la réduction de l'excès de bruit d'intensité des lasers à état solide. Cette méthode repose sur le changement du comportement dynamique du laser par insertion d'un mécanisme d'absorption non-linéaire faiblement efficace dans la cavité. Tout d'abord, nous étudions cette approche dans des lasers solides mono-fréquence en exploitant deux types d'absorption non-linéaire : l'absorption à deux photons (TPA) et l'absorption par génération de seconde harmonique (SHGA). Nous montrons qu'il est possible de réduire de 50 dB le bruit d'intensité à la fréquence des oscillations de relaxation d'un laser Er,Yb:verre sans en dégrader la puissance de sortie ni le bruit de phase. Nous explorons les mécanismes physiques sous-jacents en développant un modèle analytique décrivant le comportement dynamique du laser. L'effet de l'absorbant non-linéaire sur les pics de bruit à haute fréquence à l'intervalle spectrale libre de la cavité est également étudié. Nous démontrons l'intérêt de telles sources lasers auto-régulées en intensité pour la distribution d'oscillateurs locaux sur porteuse optique. Nous mettons ensuite en application l'approche « buffer reservoir » dans des lasers bi fréquences. En développant un modèle analytique prédictif, nous montrons expérimentalement que l'utilisation de TPA engendre, sous certaines conditions, une réduction de 40 dB de l'amplitude des pics de bruit en-phase et en anti-phase. Nous vérifions en outre les propriétés de couplage des modes dans le milieu actif lorsque les pertes non-linéaires sont présentes. Enfin, nous abordons l'utilisation de SHGA comme ''buffer reservoir'' dans les lasers bi-fréquences. Plus particulièrement, nous explorons expérimentalement et théoriquement le comportement du laser lorsque les pertes non-linéaires ne sont introduites que sur un seul mode propre du laser. Dans cette configuration, nous montrons qu'il est possible d'obtenir pour les deux modes à la fois une forte diminution des pics de bruit d'intensité résonants. / Dual-frequency solid-state lasers are attractive for numerous domains (metrology, microwave photonics, Lidar-Radar, optical clocks). However, such lasers suffer from excess intensity noise which is difficult to cancel with usual methods. In this context, we develop a new approach called “buffer reservoir” for reducing the excess intensity noise. This method relies on the change of the laser’s dynamical behavior by inserting a low efficient nonlinear absorption mechanism in the cavity. First, this approach is studied on single frequency solid-state lasers by using two types of non-linear absorption: two-photon absorption (TPA) and second harmonic generation absorption (SHGA). We show a possible reduction of the intensity noise at the relaxation oscillations frequency of an Er,Yb:glass laser up to 50 dB without degrading neither its power nor its phase noise. We explore the underlying physics by developing an analytical model describing the laser dynamical behavior. The effect of the nonlinear absorber on the noise peaks lying at high frequency at the free spectral range of the cavity is also studied. We demonstrate the relevance of such self-regulated lasers for the distribution of optically carried local oscillators. We then extend the “buffer reservoir” approach to dual-frequency lasers. By developing a predictive analytical model, we show experimentally that the use of TPA enables 40 dB reduction of both in-phase and anti-phase noise under certain conditions. The mode coupling in the active medium is analyzed when the nonlinear losses are present. Finally, we address the use of SHGA as a ''buffer reservoir'' in dual-frequency lasers. In particular, we experimentally and theoretically explore the laser behavior when the nonlinear losses are inserted on one eigen-mode of the laser only. This configuration enables a strong reduction of resonant noise peaks for both modes.

Le but de cette thèse est la synthèse optique d'ondes millimétriques et submillimétriques avec un très bas bruit de phase. La première partie concerne la réalisation d'un laser biaxe bifréquence dont chacune des deux fréquences est accordable indépendamment et continûment sur 1 THz. Ce laser est caractérisé en bruit d'amplitude et de phase. Nous avons mis en évidence un facteur de couplage entre les fluctuations de puissance de la diode de pompe et le bruit de phase du laser. La deuxième partie concerne le développement d'un système amplificateur qui se compose d'un amplificateur EDFA et d'un SOA par polarisation. Ce système amplificateur permet d'obtenir une puissance de l'ordre de 17 dBm, tout en réduisant le bruit relatif d'intensité (RIN) d'une vingtaine de dB sur 1 GHz. Cet amplificateur est également un actionneur pour la stabilisation de puissance permettant un RIN de l'ordre de -150 dB/Hz de 3 Hz à 5 kHz. La dernière partie concerne la mise en place du banc cavité et de l'asservissement des fréquences du laser sur une cavité ultra-stable. Nous obtenons un bruit de phase, à 10 kHz pour une porteuse à 10 GHz, meilleur que le plancher de bruit d'un analyseur de bruit de phase hautes performances de l'ordre de -115 dBc/ Hz. Le bruit de phase du système est indépendant de la fréquence de battement. / The aim of this thesis is the optical synthesis of millimeter and submillimeter waves with a very low phase noise. The first part concerns the development of a dual-axis dual frequency laser, whose the two frequencies are tuneable independently and continuously on 1 THz. This laser is characterized in amplitude noise and phase noise. We have identified a coupling factor between the diode pump and the power fluctuations of the laser phase noise. In the second part, we report the development of an amplifier system which consists of an EDFA and a SOA per polarisation axis. This amplifier system delivers 17 dBm of power and reduces the relative intensity noise (RIN) by 20 dB on a 1 GHz bandwidth. This amplifier is also an actuator for the power stabilization to a RIN of the order of -150 dB/Hz from 3 Hz to 5 kHz. The last part concerns the setup of the cavity bench and the stabilization of the laser frequency on a ultrastable cavity. We obtain a phase noise at 10 kHz of frequency offset on a 10 GHz carrier better than the noise floor of a phase noise analyser with high performance of the order of -115 dBc/Hz. The system phase noise is independent of the beatnote frequency.

Les horloges atomiques à piégeage cohérent de population (CPT) constituent aujourd'hui un outil idéal pour la réalisation de références de fréquence stables, compactes et à faible consommation énergétique. Dans le cas des horloges à base de césium, elles nécessitent l'utilisation d'un champ laser bifréquence à 895 nm (raie D1) ou à 852 nm (raie D2) et dont la différence entre les fréquences optiques est égale à 9,19 GHz, soit l'écart entre les niveaux hyperfins du niveau fondamental. Nous proposons une nouvelle solution pour générer ce champ laser, à partir d'un unique laser à semiconducteur pompé optiquement et à émission bipolarisée et bifréquence.Dans ce manuscrit, nous étudions la conception d'une telle source dont l'émission est accordable en fréquence sur la transition D2 du césium. Nous détaillons tout particulièrement le choix des éléments intracavité et de la structure semiconductrice utilisée. Nous décrivons ensuite la mise en oeuvre expérimentale et la caractérisation d'un prototype. Nous présentons les deux boucles d'asservissement que nous avons mises en place pour verrouiller la fréquence optique du laser sur la transition du césium, et la différence de fréquence sur la fréquence délivrée par un oscillateur local. Nous effectuons une modélisation et une caractérisation complète des trois types de bruits du laser, à savoir le bruit d'intensité, le bruit de fréquence optique, et le bruit de phase du signal généré par battement entre les modes laser. Enfin, nous montrons les premiers résultats expérimentaux de piégeage cohérent d'atomes de césium réalisé avec le prototype et étudions les caractéristiques du signal obtenu. Finalement nous établissons un budget de bruit d'une horloge CPT, en nous appuyant sur l'estimation de l'impact de chacun des bruits laser précédemment étudiés. Après avoir identifié les limites du système actuel, nous proposons quelques pistes d'améliorations du laser bifréquence, reposant sur la réduction du bruit d'intensité laser et sur la modification de la structure semiconductrice. / Atomic clocks using the coherent population trapping (CPT) technic are ex-cellent candidates to obtain frequency references that are stable, compact and with a low powerconsumption. In the case of cesium atomic clocks, this technic require a dual-frequency laserfield either at 895 nm (D1 transition) or 852 nm (D2 transition) whose frequency difference isequal to 9.19 GHz, the frequency splitting between the two hyperfine levels of the fundamentalstate. Here we present a new concept for generating this type of laser field using a unique dualfrequency and optically-pumped laser with a dual-polarized emission.In this manuscript, we study the conception of such a laser source at a wavelength of 852 nm.We detail the design of the intracavity elements and the semiconductor active structure. Thenwe describe the experimental set-up and characterization of a first prototype. We present thestabilization set-up of the laser based on two different servo-loops, one used to lock the opticalfrequency onto the cesium transition and the other to lock the frequency difference onto thefrequency generated by a local oscillator. We report a complete simulation and characterizationof the main laser noises: the laser intensity noise, the optical frequency noise, and the phase noiseof the radiofrequency signal generated by the beatnote of the two laser modes. We show the firstexperimental results of coherent population trapping obtained with the prototype. Finally weestablish a noise budget of a CPT atomic clock by estimating the impact of each laser noises.After we identify the system limits, we propose different ways to improve the dual-frequencywhich rely on the reduction of the intensity noise and the modification of the semiconductorstructure design.