Laser bi-fréquences

Laser bi-fréquences : quelques dates

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1977

Lors de la soutenance de thèse d’Albert Le Floch, le 17 novembre 1977, portant sur :

« Théorie spatiale vectorielle des lasers anisotropes. Vérification expérimentale pour un laser Zeeman et par spectroscopie de polarisation du milieu actif. Quelques applications »,

La réalisation d’un laser bi-fréquences, avec une fréquence de battement accordable, était faite, comme le montre l’extrait suivant des commentaires du jury de thèse (jury : Professeurs  A. Kastler, J.C. Lehmann, M. Dumont, B. Decomps, S. Liberman, P. Brun, R. Le Naour).

LEHMANN 

Un des résultats que vous avez obtenus est que vous levez la dégénérescence entre les deux modes, de même fréquence en d’autres circonstances, alors le résultat c'est que vous avez deux peignes de modes dont vous pouvez déplacer la position l'un par rapport à l'autre ; la question que je voulais vous poser c'est lorsque vous oscillez simultanément, ça arrive, sur deux de ces modes, est-ce que vous pouvez les sortir quelque part autrement qu’avec une polarisation à 90° l’un de 1’autre ? L’idée étant la suivante : c'est que si vous arriviez à les faire battre ensemble, vous auriez un modulateur de fréquence à faisceau modulé en amplitude et la fréquence de modulation étant accordable. Lorsqu’on sort deux modes d'un laser simultanément, on a un battement entre modes et on peut utiliser ce battement pour faire des résonances en lumière modulée ; seulement la fréquence de battement, c'est la fréquence entre modes ; si on savait faire varier cette fréquence de battement, ce serait très agréable.
DUMONT
Il me semble qu'ils ne lasent pas simultanément quand on met un polariseur, on voit qu'ils basculent brusquement.
LE FLOCH

 Prenons l'exemple de la raie 3,39 microns. Pour les deux hélices, on observait effectivement un basculement de polarisation, c'est-à-dire que les deux hélices oscillent avec les mêmes atomes ; donc il y a une compétition quand l'un des modes dépasse l'autre, il éteint l'autre.
LEHMANN
C'est toujours avec les mêmes atomes, au fond ?
LE FLOCH
Non, on peut imaginer que deux modes oscillent avec deux paquets d'atomes complètement découplés, effectivement Dans cet exemple-ci, il faut reconnaître que la largeur homogène est grande par rapport au profil Doppler, autrement dit, deux modes pour la raie 3,39 oscillent avec les mêmes paquets, donc ils sont en compétition. Mais on peut imaginer effectivement des paquets d'atomes découplés Il faudrait reprendre à ce moment-là l'hélicoïdale mais sur une autre raie, avec une largeur homogène très petite, oui, à ce moment-là on doit pouvoir réaliser l'oscillation en même temps.
LEHMANN
Et alors, on aurait un battement de fréquence variable !

Un film montrant la réalisation et le fonctionnement du premier laser à 2 fréquences ajustables, oscillant séparément sur les 2 états propres de la cavité, prédits par le modèle spatial vectoriel développé dans la thèse d'Albert Le Floch ("la vraie théorie du laser" selon A. Kastler), a été projeté ce jour là.

LaserBifrequences1977-LF.jpg

Photos extraites du film montrant le fonctionnement du premier laser à 2 fréquences ajustables.

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1990

Dépôt d’un brevet : Laser fournissant deux ondes à des fréquences différentes

 

Brevet1990-1

 

Brevet1990-2.JPG

Brevet1990-3.JPG

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1999

Prix Bretagne jeune chercheur à Marc Brunel

link

Télécommunications optiques : un nouveau pas en avant grâce  aux lasers bifréquences

MB1

En l'absence de Marc Brunel, actuellement en congrès aux Etats-Unis, son directeur de thèse Albert Le Floc'h , a la lourde charge d'expliquer ce que sont les lasers "bi-fréquences", sujet de la thèse de Marc. "Les lasers ne comportent généralement qu'un seul faisceau, se propageant entre deux miroirs parallèles. La nouvelle génération de lasers à plusieurs axes de propagation permet non seulement d'émettre ensemble plusieurs ondes de fréquences différentes, mais aussi d'atteindre des battements de fréquences très élevés : de l'ordre du Téraherz, soit mille milliards de Herz."
"
Nous sommes très surpris par l'intérêt que les industriels portent à nos travaux", sourit Albert Le Floc'h, pourtant habitué aux honneurs puisqu'en 3 ans, c'est la 5e fois que son équipe est distinguée par un Prix. Aujourd'hui maître de conférences, Marc Brunel est donc bien à sa place dans ce laboratoire aux vastes projets : ouverture prochainement d'un Centre "laser et application à la chimie", création d'un pôle de compétences "Optique et télécoms", en lien avec les entreprises de la technopole de Rennes Atalante...

Récemment, la RATP s'est manifestée pour étudier la possibilité d'installer, le long des voies du métro, un câble optique pour véhiculer ce laser bi-fréquence et permettre ainsi à ses usagers d'utiliser leur téléphone portable pendant leurs trajets. Autre application : les "lidars", sortes de radars capables de détecter la présence de molécules gazeuses dans l'atmosphère, ou encore les réseaux locaux d'entreprise, avec la collaboration de France Télécom. Enfin, dans un futur proche, les lasers bi-fréquences pourraient permettre aux automobilistes de détecter les obstacles sur les routes.

H.T.

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Publications

Dual Tunable Wavelength ErYbGlass Laser for Terahertz Beat Frequency Generation.
M. Alouini, M. Brunel, F. Bretenaker, M. Vallet, A. Le Floch.
IEEE Photonics Technology Letters, 10, (11), 1554-1556 (1998).

One and two-axis laser cavities for dual –frequency operation and microwave generation.
M. Alouini, F. Bretenaker, M. Brunel, D. Chauvat, O. Emile, A. Le Floch, G. Ropars, and M. Vallet.
SPIE Proceedings of the Xth Conference on Laser Optics, St. Petersburg, Russia, 2000.
Proc. SPIE, Vol. 4353, 145 (2001).

Offset phase locking of Er:Yb:Glass laser eigenstates for radio-frequency photonics applications.
M. Alouini, B. Benazet, M. Vallet, M. Brunel, P. Di Bin, F. Bretenaker, A. Le Floch, P. Thony.
IEEE Photonics Technology Letters, 13, 367-369 (2001).

Two-Frequency Lasers: from Excess Quantum Noise to RF Photonics Applications.
M. Alouini, F. Bretenaker, M. Brunel, D. Chauvat, O. Emile, N. Diep Lai, A. Le Floch, G. Ropars, M. Vallet.
Acta Physica Polonica A, 101, 7-20 (2002).

Doublage d'un laser bi-fréquence impulsionnel pour la génération de micro-ondes.
N. Diep Lai, L. Morvan, M. Brunel, F. Bretenaker, S. Blanc, A. Le Floch.
Journal de Physique IV France, 12, 367-368 (2002).

The building blocks for a two-frequency laser LIDAR-RADAR : a preliminary study.
L. Morvan, N. Diep Lai, D. Dolfi, J.P. Huignard, M. Brunel, F. Bretenaker, A. Le Floch.
Applied Optics, 41, (27), 5702-5712 (2002).

 Lidar-Radar bi-fréquence impulsionnel à pré-amplification optique.
L. Morvan, N. Diep Lai, D. Dolfi, J.P. Huignard, M. Brunel, F. Bretenaker, A. Le Floch.
Journal de Physique IV France, 12, (5), 369-370 (2002).

Génération de battements GHz ou THz au moyen de lasers bi-fréquences.
M. Brunel, M. Alouini, F. Bretenaker, O. Emile, N. Diep Lai, A. Le Floch, M. Vallet.
Revue de l'Électricité et de l'Électronique, 1, 37-41 (2003).

Microwave signal generation with high spectral purity using two-frequency solid-state lasers
M. Brunel, F. Bretenaker, N. D. Diep Lai, M. Alouini, M. Vallet, O. Emile, A. Le Floch.
International Topical Meeeting on Microwave Photonics, 10-12 September, 183-188, 2003.

Generation of tunable high-purity microwave and terahertz signals by two-frequency solid-state lasers
M. Brunel, N. Diep Lai, M. Vallet, A. Le Floch, F. Bretenaker, L. Morvan, D. Dolfi, J.P. Huignard, S. Blanc, T. Merlet.
Proceedings of SPIE, 5466, 131-139 (2004).

Dual-frequency laser at 1.53 mm for generating high-purity optically carried microwave signals up to 20 GHz.
L. Morvan, D. Dolfi, J.P. Huignard, S. Blanc, M. Brunel, M. Vallet, F. Bretenaker, A. Le Floch,
Lasers and Electro-Optics, 2004. (CLEO). Conference on Volume 1, Issue , 16-21 May 2004 Page(s): 2 pp. vol.1

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Direction de thèses

"Étude théorique et expérimentale des lasers solides bi-fréquences dans les domaines GHz à THz, en régime continu ou impulsionnel. Applications opto-microondes."   link

Thèse présentée par Ngoc Diep LAI
Pour obtenir le grade de Docteur de l'Université de Rennes 1 mention Physique.
Soutenue le 04-07-2003 devant la commission d'examen :
- M. DUMONT : Président.
- H. GILLES : Rapporteur.
- É. LACOT : Rapporteur.
- F. BRETENAKER : Examinateur.
- D. DOLFI : Examinateur.
- A. LE FLOCH : Examinateur.

"Étude théorique et expérimentale des lasers solides Er3+ et Nd3+ : applications des lasers
bi-fréquences aux télécommunications optiques et hyperfréquences."

Thèse présentée par Mehdi ALOUINI
Pour obtenir le grade de Docteur de l'Université de Rennes 1 mention Physique.
Soutenue le 22-03-2001 devant la commission d'examen :
- A. DUCASSE : Président.
- J.P. POCHOLLE : Rapporteur.
- P. GEORGES : Rapporteur.
- R. MONCORGÉ : Examinateur.
- F. BRETENAKER : Examinateur.
- A. LE FLOCH : Examinateur.

"Étude théorique et expérimentale de quelques aspects nouveaux des lasers à un ou plusieurs axes de propagation. Applications.."   link
Thèse présentée par Marc BRUNEL
Pour obtenir le grade de Docteur de l'Université de Rennes 1 mention Physique.
Soutenue le 10-10-1997 devant la commission d'examen :
- M. LEDUC : Présidente.
- F. BIRABEN : Rapporteur.
- J.P. HUIGNARD : Rapporteur.
- A. DUCASSE : Rapporteur.
- M. VALLET : Examinateur.
- A. LE FLOCH : Examinateur.
- S. ALABLANCHE : Invitée.