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Les lasers aléatoires sous contrôle, publié dans Nature Physics

Introduisez une poudre dans un milieu actif et vous obtenez un « laser aléatoire » : la diffusion multiple par la poudre suffit à confiner les photons et à remplacer la cavité optique du laser conventionnel, un élément critique et en général délicat à ajuster dans un laser [1]. Mais si la fabrication de cette nouvelle génération de « lasers sans miroir » est relativement simple, leur contrôle restait un défi : par essence, les propriétés d’émission d’un laser aléatoire –spectrales, temporelles ou directionnelles- sont a priori imprédictibles. Leur contrôle est maintenant chose faite à l’Institut Langevin. Du coup, ses nombreux degrés de liberté sont mis à profit et ses caractéristiques peuvent être modifiées « à la demande » (laser multi-couleurs ou multidirectionnel, …), une versatilité difficile voire impossible à réaliser avec un laser constitué d’une cavité optique classique.

Des physiciens de l’Institut Langevin et du LPMC se sont associés pour proposer un contrôle des lasers aléatoires. Les résultats ont été publiés dans Nature Physics. La méthode développée s’inspire de celles utilisées en optique adaptative ou plus récemment pour le contrôle actif du front d’onde à travers les milieux opaques [2]. L’idée est de moduler « intelligemment » le profil spatial de la pompe optique pour sélectionner une longueur d’onde dans le spectre d’émission. Ce profil optimal du faisceau de pompe est a priori inconnu. On utilise alors un algorithme d’optimisation : à chaque étape, le spectre est mesuré et le profil de pompe modifié pour faire émerger le mode laser voulu et « éteindre » les autres modes. La méthode a été d’abord testée numériquement [3,4]. Elle a été ensuite appliquée avec succès à un système réel, un laser aléatoire optofluidique développé au Laboratoire de Physique de la Matière Condensée [5-7] : les chercheurs de l’Institut Langevin ont montré qu’il est possible de forcer le laser aléatoire à émettre à une longueur d’onde choisie malgré sa nature multimode et la complexité de l’interaction entre ses modes [8].

Cette méthode peut être généralisée à d’autres types de laser comme les lasers à semi-conducteur où la conception d’électrodes de pompe efficaces pourrait s’inspirer du profil optimum d’un pompage optique. Mais au-delà, le contrôle actif du laser aléatoire signifie la possibilité de contrôler et de manipuler la compétition entre les modes lasers et la dynamique non-linéaire du gain, un enjeu au cœur de la physique des lasers et de leurs applications.

Références

[1] R. Carminati et P. Sebbah, « Les lasers aléatoires », à paraître dans la revue Photoniques, numéro spécial sur « les lasers extrêmes » (21 Avril 2014).

[2] A. Mosk, A. Lagendijk, G. Lerosey, and M. Fink, “Controlling waves in space and time for imaging and focusing in complex media”, Nature Photonics, 6, 283–292 (2012).

[3] N. Bachelard, J. Andreasen, S. Gigan, P. Sebbah, “Taming random lasers through active spatial control of the pump”, Phys. Rev. Lett., 109, 033903 (2012).

[4] F. Smith, “How to Control a Random Laser”, Focus of Physics (July 20, 2012).

[5] S. Bhaktha B.N., X. Noblin, N. Bachelard and P. Sebbah, “Optofluidic random laser”, Appl. Phys. Lett. 101, 151101 (2012).

[6] R. Won, “Optofluidics Laser in Random form”, Nature Photonics (January 2013).

[7] R. Fitzgerald, “An optofluidic random laser”, Physics Today (October 11, 2012).

[8] N. Bachelard, S. Gigan, X. Noblin, P. Sebbah, “Adaptive pumping for spectral control of random lasers”, arXiv:1303.1398, Nature Physics (2014).

- Travaux cités dans Les actualités de l’INSIS et de l’INP.

- A propos de la couverture de Nature Physics.

Mots-clés

Fluides & Matériaux Complexes, MIMIC