De la lumière lente au cœur d’un laser

Si la lumière est rapide lorsqu’elle se propage dans le vide, ce n’est pas nécessairement le cas lorsqu’elle se propage dans un matériau. Les physiciens savent maintenant contrôler sa vitesse et la ralentir considérablement, l’intérêt est tout autant pour la physique fondamentale que pour les applications aux télécommunications, radars ou développement de mémoires quantiques. Alors que jusqu’à présent, la production de « lumière lente » reposait sur des dispositifs expérimentaux complexes spécialement développés, des physiciens du Laboratoire Aimé-Cotton (LAC - CNRS), de l’Institut de Physique de Rennes (IPR - CNRS / Univ. de Rennes I), du Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (LPN - CNRS) et de Thales Research & Technology France (TRT) viennent de mettre en évidence pour la première fois le rôle du ralentissement de la lumière sur le bruit même d’un laser. Ce travail fait l’objet d’une publication dans la revue Physical Review Letters.

Le contrôle de la vitesse à laquelle l’énergie lumineuse se propage dans des milieux optiques dispersifs, c’est-à-dire des milieux dont l’indice de réfraction dépend fortement de la longueur d’onde de la lumière, est un domaine de recherche très actif depuis quelques années. Parmi tous les mécanismes étudiés pour produire ce phénomène dans les matériaux semi-conducteurs un phénomène est particulièrement prometteur pour introduire des retards contrôlables dans de nombreux dispositifs : les oscillations cohérentes de population. Dans le matériau semi-conducteur amplificateur, le faisceau lumineux plus ou moins intense prélève plus ou moins d’énergie, ce qui affecte la densité de porteurs de charge présents et donc la vitesse de propagation de l’énergie dans le milieu. A l’intérieur d’un résonateur laser, le milieu actif amplifie la lumière, l’intensité lumineuse est particulièrement intense et le phénomène d’émission spontanée induit des variations de cette intensité : les conditions sont réunies pour réaliser de la lumière lente. C’est ce qu’ont observé les physiciens en analysant le bruit d’émission spontanée d’un laser à cavité verticale externe spécialement conçu. La signature mesurée est une différence de fréquence entre les battements créés par le mode qui oscille et les bruits d’émission spontanée présents dans les deux modes latéraux. Cela correspond à une réduction de près d’un facteur mille sur la vitesse de propagation vue par les modes latéraux, soit 400 km/s à comparer à la vitesse dans le vide de 300 000 km/s. Ce résultat prometteur ouvre la voie à de nouvelles études sur la lumière rapide et permet d’envisager des applications notamment pour les commandes optiques d’antennes radars.

a) Spectre de bruit d’intensité du laser à semi-conducteur à cavité verticale externe. Le pic à 1,5 GHz correspond au battement entre le mode qui oscille et le bruit d’émission spontané présent dans les modes latéraux, b) Zoom sur le pic à 1,5 GHz révélant le fait qu’il y a en fait deux pics à deux fréquences différentes correspondant aux deux modes latéraux. L’écart entre les deux fréquences provient du ralentissement de la lumière dans le matériau.

C’est cette différence de fréquence entre les deux pics qui est la signature des effets d’oscillations cohérentes de population, et met en évidence le ralentissement de la lumière dans le laser et son influence sur son bruit d’intensité. Ce mécanisme en principe universel devrait être observé dans d’autres types de lasers et illustre l’influence des non-linéarités du laser sur son bruit.