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Jul 13, 2023

Scientific Reports volume 6, Numéro d'article : 22625 (2016) Citer cet article

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Les lasers Raman aléatoires attirent désormais beaucoup d'attention car ils fonctionnent dans des milieux de diffusion non actifs, troubles ou transparents. Dans ce dernier cas, les fibres monomodes avec rétrodiffusion par rétrodiffusion Rayleigh génèrent un faisceau laser unidirectionnel de haute qualité. Cependant, ces lasers à fibre ont des propriétés spectrales et de polarisation plutôt médiocres, qui se détériorent avec l'augmentation de la puissance et de l'ordre de Stokes. Nous démontrons ici un laser Raman aléatoire en cascade à polarisation linéaire dans une fibre à maintien de polarisation. L'efficacité quantique de conversion de la pompe (1,05 μm) en rayonnement de sortie est presque indépendante de l'ordre de Stokes, s'élevant à 79 %, 83 % et 77 % pour le 1er (1,11 μm), le 2e (1,17 μm) et le 3e (1,23 μm) ordre, respectivement, au taux d'extinction de polarisation > 22 dB pour tous les ordres. La bande passante du laser augmente avec l'ordre croissant, mais elle est presque indépendante de la puissance dans la plage de 1 à 10 W, s'élevant respectivement à ~ 1, ~ 2 et ~ 3 nm pour les ordres 1 à 3. Ainsi, le laser Raman aléatoire ne présente aucune dégradation des caractéristiques de sortie avec l’augmentation de l’ordre de Stokes. Une théorie décrivant de manière adéquate les caractéristiques uniques du laser a été développée. Ainsi, une image complète de l’effet Raman aléatoire en cascade dans les fibres est présentée.

Les lasers aléatoires représentent désormais une classe de sources lumineuses en croissance rapide, dans laquelle une cavité optique conventionnelle est remplacée par une rétroaction à diffusion multiple dans un milieu à gain désordonné, tel qu'un cristal laser ou des poudres semi-conductrices, voir 1,2 pour une revue. Les développements récents dans ce domaine incluent l'amélioration des performances des lasers aléatoires, ainsi que des démonstrations d'effets laser dans des milieux désordonnés de nouveaux types. Ainsi, l’effet laser amélioré par un plasmon de surface à faible seuil est démontré dans une matrice de nano-îlots d’or répartis de manière aléatoire et recouverts d’une couche guidant les ondes d’un polymère dopé par un colorant3 ou dans un milieu actif semi-conducteur (nanotiges de ZnO) avec des nanoflacons d’oxyde de graphène4. . Les dispositifs laser aléatoires à base de papier fluidique sont fabriqués par des techniques conventionnelles de lithographie douce sur un papier habituel5. Une émission laser aléatoire peut être obtenue dans des milieux exotiques tels que des atomes de vapeur froide6 ou des tissus biologiques, notamment des os infiltrés par un colorant actif7, une aile de papillon contenant des nanoparticules semi-conductrices de ZnO8 et même une seule cellule9. Ces résultats initient le développement de technologies avancées vers la réalisation de composants photoniques actifs biocompatibles et implantables8,9, la bio-imagerie d'un nouveau type incluant la cartographie des tumeurs malignes10, le diagnostic/dynamique des milieux granulaires11 ou troubles12 avec un grand potentiel en pharmacologie, ainsi que ainsi que le développement de sources à faible cohérence adaptées à la microscopie plein champ sans taches ou aux systèmes de projecteurs de lumière numérique13.

Pour le développement de nouvelles sources lumineuses, les performances d’un appareil compétitif deviennent tout un défi. En ce sens, les lasers aléatoires à fibres14 sont reconnus comme des sources lumineuses supérieures aux lasers aléatoires d’autres types et, dans certains cas, aux lasers conventionnels. La structure du guide d'ondes à fibre est presque unidimensionnelle et forme un faisceau de sortie de haute qualité (mode transversal unique avec un profil de faisceau gaussien) dans une direction souhaitée en utilisant la flexibilité de la fibre. Pour l'émission laser aléatoire, même les fibres de télécommunications conventionnelles conviennent. Comme le matériau fibreux (verre de silice) est très transparent au rayonnement, en particulier dans la fenêtre spectrale des télécommunications autour de 1,5 μm, les mécanismes de gain et de rétroaction sont ici assez différents de ceux des lasers aléatoires en vrac. Le gain de fibre est induit par la diffusion Raman stimulée inélastique (SRS) de la lumière de pompe par la vibration des molécules de SiO2 dans un réseau de verre, tandis que la rétroaction est fournie par la diffusion élastique de Rayleigh de l'onde de Stokes induite par SRS sur des irrégularités submicroniques du verre. structure, avec une petite partie (~10−3) de lumière diffusée revenant dans la fibre. Bien que la rétroaction soit très faible, elle est suffisante pour une utilisation laser dans une fibre passive longue de plusieurs kilomètres étant donné que le gain Raman intégral est proportionnel à la longueur de la fibre et à la puissance de la pompe.