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Génération de faisceaux lasers à profils d'intensité spécifiques
Renaud de Saint Denis
CIMAP
Vendredi 16/11/2007, 15h00
CIMAP Caen,

Soutenance le Vendredi 16 novembre 2007 à 15h à la Maison d’hôtes

Manuscrit de la thèse.


Résumé :

Aujourd’hui, de nombreuses applications, tant industrielles que médicales, nécessitent des faisceaux lasers possédant un profil d’intensité transverse spécifique : en particulier, on peut citer l’usinage laser, le piégeage et guidage optique d’atomes froids. L’objectif de cette thèse est donc d’illustrer plusieurs possibilités de mises en forme simples et à faible coût d’un faisceau de profil gaussien.

Dans la première partie, nous utilisons un élément optique diffractif binaire simple, le trou de phase, pour démontrer son influence sur la qualité du faisceau laser généré. La brillance du faisceau produit peut ainsi être améliorée par insertion de l’objet de phase au sein de la cavité laser. En diffraction simple passage, il permet d’améliorer la sensibilité d’une mesure de type Z-scan. Dans la seconde partie, nous avons considéré théoriquement la diffraction de faisceaux de Laguerre-Gauss TEMp0 à travers un disque opaque. En simple passage, un faisceau TEM10 peut ainsi être transformé en champ proche en un anneau lumineux très fin. De plus, ce mode TEM10 peut être obtenu par insertion intra-cavité du disque opaque.

Dans la troisième partie, nous avons cherché à déterminer le contenu modal d’un faisceau laser sans recourir à une méthode optique classique basée sur l’analyse du profil d’intensité et du facteur de qualité M². Nous avons alors développé une méthode d’analyse optoélectronique basée sur l’évolution de la pente locale de la réponse en puissance d’un laser Nd:YVO4 dont nous contrôlions la géométrie. Cette analyse simple, rapide, peu coûteuse et automatisée a ensuite été appliquée pour la sélection, parmi des diodes lasers commerciales de type VCSEL au comportement multimode transverse, de celles quasi monomodes. Dans la quatrième et dernière partie, nous nous sommes intéressés à la mise en forme spatiale simple passage d’un faisceau laser : caractérisation à la fois théorique et expérimentale du front d’onde et du profil d’intensité d’un faisceau gaussien incident perturbé par des aberrations sphériques de phase générées par un système optique équivalent à un axicon ajustable.


Generation of laser beams with specific intensity profiles

Abstract:

Nowadays, many applications, industrial or medical, need laser beams with specific transverse intensity profiles: for instance, we can quote laser machining, optical trapping and guiding of cold atoms. The aim of this PhD thesis consists in illustrating several simples and low-cost possibilities of reshaping a Gaussian beam.

In the first part, we use a simple binary diffractive optical element, a phase aperture, to demonstrate its influence on the quality of the laser beam reshaped. The output beam brightness can be improved by inserting the phase element inside the cavity. In single-pass diffraction, it improves the sensitivity of a Z-scan measurement. In the second part, we have theoretically considered the diffraction of Laguerre-Gauss beams TEMp0 through an opaque disk known as a stop. In single-pass, a TEM10 can be transformed in the near field into a dark-hollow beam. Moreover, this TEM10 mode can be obtained by inserting the stop inside a laser cavity.

In the third part, we have tried to determinate the modal content of a laser beam without using a classical optical method based on the analysis of the intensity profile and the beam quality factor M². So we have developed an optoelectronic method of analysis based on the evolution of the local slope of the power response of a Nd:YVO4 laser whose geometry was controlled. Finally, this simple, fast, low-cost and automatic analysis has been applied to the selection, among commercial laser diodes like VCSEL with a transverse multimodal behaviour, of quasi single-mode ones. In the fourth and last part, we have focused our work on the single-pass spatial beam shaping: theoretical and experimental characterization of the wave front and intensity profile of an incident Gaussian beam perturbed by spherical phase aberrations generated by an optical system equivalent to an adjustable axicon.

Contact : Serge BOUFFARD

 

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