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1 IPR - Institut de Physique de Rennes

Abstract : The main concern of this thesis is the selection of stationary transverse structures in lasers. Throughout the manuscript, we get involved into describing the observations that can be realized in a longitudinally pumped solid-state laser, from both experimental and numerical perspectives using Fox-Li simulations. We explore in detail, on the one hand, the particular behavior of non-degenerate cavities in various pumping situations, and on the other hand the exact and partial degeneracy situations. We also investigate the very influential role played by thermal effects concerning the formation of transverse structures in degeneracy regions, although this study is limited to a more qualitative description. These problems have been of great interest since the early development of laser, however we show in this manuscript that the contemporary scientific litterature still suffers from misinterpretations concerning experimental observations of transverse modes that can occur in lasers. For instance, there still remains the widespread belief that it is possible to excite a high-order Laguerre-Gaussian or Ince-Gaussian mode by strongly focusing the pump beam inside the active medium so that it matches the principal lobe of the targeted mode. We demonstrate analytically, numerically and experimentally that this idea is unfounded and show how some experiments that occur near a cavity degeneracy are misleading and can contribute to spread this misconception. Even if the model we use is unable to deal with some very significant issues concerning the mode formation in the time domain and the build-up of the laser oscillation, we believe that its strength lies into its simplicity and its ability to reproduce every experimental observation in a very accurate way. Hence, we managed to explain and interpret all the experimental observations we have realized given a very few assumptions including the presence of a cavity, a saturated gain, thermal effects and eventually diaphragm effects. Moreover, the simple model that we present can be extended without any difficulty to the case of unstable resonators, or to resonators built from graded-phase mirrors which offer new possibilities towards the excitation of original transverse modes.

Résumé : L-objet de cette thèse est l-étude de la sélection des structures transverses stationnaires dans les lasers. Nous nous attachons à décrire expérimentalement et à expliquer numériquement à l-aide d-une méthode de type Fox-Li les observations de modes transverses qui peuvent être réalisées dans un laser à état solide pompé longitudinalement. Ainsi, nous sommes amenés à explorer en profondeur le comportement des cavités non-dégénérées dans différentes situations de pompage, ainsi que les notions de dégénérescence exacte et de dégénérescence partielle. Nous sommes également amenés à étudier, bien que de manière assez qualitative, le rôle important des effets thermiques dans la formation des modes transverses dans les zones de dégénérescence de la cavité. Ces questions ont fait l-objet de multiples investigations depuis l-avènement du laser, mais nous mettons toutefois en évidence que de sérieux problèmes d-interprétations d-observations expérimentales persistent dans la littérature scientifique contemporaine. Une idée fausse assez répandue stipule par exemple qu-il est possible d-exciter un mode Laguerre-Gauss ou Ince-Gauss d-ordre élevé en utilisant un faisceau de pompe suffisamment petit afin qu-il recouvre parfaitement le lobe principal du mode visé. Nous montrons analytiquement, numériquement et vérifions expérimentalement que ceci est impossible dans une situation non-dégénérée, et expliquons comment certaines observations réalisées proches d-une dégénérescence peuvent contribuer à propager cette idée erronée. Bien que le modèle que nous utilisons n-élude pas les questions importantes concernant le rôle de la dynamique temporelle dans la formation des modes transverses dans un laser, sa pertinence réside dans sa simplicité et sa capacité à reproduire de manière très satisfaisante toutes les observations expérimentales. Ainsi, toutes les observations de modes transverses qu-il est possible de réaliser dans un laser peuvent être comprises à travers ce modèle, qui ne nécessite comme ingrédients principaux qu-une cavité, un gain saturé, des effets thermiques et éventuellement des effets de diaphragme. De plus, le modèle simple que nous présentons peut s-étendre sans difficulté à l-étude de cavités instables ou de cavités à miroirs asphériques qui offrent des possibilités nouvelles pour l-excitation de modes transverses originaux.

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Keywords : Solid-State lasers Fox-Li simulations Transverse mode

Mots-clés : Laser solide Fox-Li Mode transverse Dégénérescence État stationnaire





Author: Nicolas Barré -

Source: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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