État lumineux cohérent structuré en 3D émit par une cavité laser auto-imageante basé sur la technologie semi-conductrice VECSEL.

This thesis project aims to develop a laser system capable of intra-cavity generation of 3D structured light states, thanks to a self-imaging optical cavity and an active medium based on micro-lasers with an external cavity and surface emission (VECSEL). The self-imaging cavity offers the possibility of a large transverse aspect ratio, the laser spot size being small in front of the transverse plane of possible existence. Moreover, for the generation of temporally localized structures, this cavity can support a large temporal aspect ratio; indeed, the cavity can be very long without degradation over the spatial extent.The existence of individually addressable temporally localized structure (TLS) thanks to the addition of a fast saturable absorber has already been demonstrated in a system based on the same technology. Additionally spatially localized structures (SLS) in monolithic VCSEL microcavities or in a dye-based self-imaging system have been demonstrated. We propose in this manuscript to demonstrate the capabilities of a self-imaging system combined with a VECSEL device, to support both types of localization. Spatiotemporally localized structure (light bullet) controllable and addressable in the manner of bits, are interesting in the field of all-optical information processing. This work is in collaboration between the IES and INPHYNI laboratories within the framework of the ANR BLASON.The first element of the system is the non-linear active medium (gain and absorbent) based on III-V semiconductor nanostructures developed at C2N RENATECH. The generation of localized structures is possible thanks to an optical bistability and requires a large modulation of the saturable losses. A large optical gain is essential and constitutes a challenge. For the existence of TLS, a large spectral bandwidth is required. During the design, a compromise was made to limit the spatial and spectral filtering effect of the micro-cavity and to favor the coupling of the electromagnetic field with the external cavity. A saturable absorber (SESAM) was also simulated and manufactured to match the gain parameters. To first focus on the spatial structuring of the field temporal dynamics was avoided (long response time of matter) and a continuous regime was aimed for. Nonlinear reflectivity and carrier diffusion lengths measurements in the SESAM allowed us to identify a limitation on SLS.In a second step, a study of a high numerical aperture external optical cavity was carried out. To meet the need for a transversely and longitudinally extended system, the choice of a self-imaging cavity is obvious. We have highlighted the importance of effects perceived as perturbative, such as thermal lensing or optical aberrations. In 4-f configurations the thermal lens becomes the main force for the stability on the optical axis while the optical aberrations lift the degeneracy between the so-called spherical (on the axis) and conical (Bessel-Gauss) component.Despite these limitations, the current system is able to emit on different types of transverse photon states. Using an absorbing metasurface integrated on the semiconductor, the generation of arbitrary, near-field structured wave functions has been demonstrated. The multiplexing of several emitters or laser modes in a single optical cavity has also been shown. Finally, by combining the metasurfaces and the SESAM, a spatial localization was demonstrated, controlled by the inhomogeneities and a non-resonant injection. Using the non-linear and bi-Laplacian Schrödinger equation, an analysis of the spatial dynamics has made it possible to explain these localized states of light, their spatial dynamics, and ultimately the difficulty of observing SLS.Ce projet de thèse a pour but de développer un système laser capable de générer, intra-cavité, des états de lumière structuré en 3D grâce à une cavité optique auto-imageante et un milieu actif basé sur des micro-lasers à cavité externe et émission verticale (VECSEL). La cavité auto-imageante offre la possibilité d’avoir un grand rapport d’aspect spatial, la taille transverse du spot laser est petite devant la surface de possible existence. De plus, pour la génération de structures localisées temporellement, cette cavité présente un grand rapport d’aspect temporel, la cavité pouvant être très longue sans dégradation sur l’étendue spatiale.L’existence de structure localisé temporellement (SLT) et individuellement adressable grâce à l’ajout d’un absorbant saturable rapide a déjà été démontré dans un système basé sur la même technologie. En outre des structures localisées spatialement (SLS) dans des microcavités VCSEL monolithiques ou dans un système auto-imageant basé sur des colorants ont été démontré. Nous proposons dans ce manuscrit de démontrer les capacités d’un système auto-imageant combiné à un composant VECSEL, à supporter les deux types de localisation. Ce type de structure localisé spatio-temporellement (Balle de lumière) contrôlable et adressable a la manière de bit, sont intéressante pour le domaine du traitement tout optique de l’information. Ce travail intervient dans le cadre de l’ANR BLASON en collaboration entre les laboratoires de l’IES et l’INPHYNI.Le premier élément important du système est le milieu actif non-linéaire (gain et absorbant) basé sur des nanostructures à semi-conducteurs III-V développées au C2N RENATECH. La génération de structures localisées émergeant grâce à l’existence d’une bistabilité optique, nécessite une grande modulation des pertes saturables. Un large gain optique est essentiel et constitue un challenge. Pour l’existence de STL, une large bande passante spectrale est nécessaire. Dans le design, un compromis est alors fait pour limiter l’effet de filtrage spatial et spectral de la micro-cavité et favoriser le couplage du champ électromagnétique avec la cavité externe. Un absorbant saturable (SESAM) a aussi été simulé et fabriqué pour s’adapter au mieux aux paramètres du gain. Ce concept a d’abord été pensé pour la structuration spatiale du champ (temps de réponse long de la matière) afin de simplifier la dynamique temporelle à un régime continu. Des mesures de réflectivité non-linéaire et les longueurs de diffusion des porteurs dans le SESAM nous ont aussi permis d’identifier une limitation sur les SLS.Dans un second temps, une étude de la cavité optique externe de forte ouverture numérique a été réalisée. Pour répondre au besoin d’un système étendu transversalement et longitudinalement, le choix d’une cavité auto-imageante est évident. Nous avons mis en évidence l’importance des effets perçus comme perturbatifs, comme la lentille thermique ou les aberrations optique. Dans des configurations en 4-f la lentille thermique devient le facteur principal de la stabilité sur l’axe optique du système alors que les aberrations lèvent la dégénérescence entre les modes dit à composante sphérique (sur l’axe) et conique (Bessel-Gauss).Malgré ces limitations, le système actuel est capable d’émettre sur différents types d’états de photon transverses. À l’aide de métasurface absorbante intégrée sur le semi-conducteur, la génération de fonctions d’onde arbitraires, structurées en champs proche a été démontrée. Le multiplexage de plusieurs émetteurs ou modes laser dans une seule cavité optique a aussi été montré. Enfin, en combinant les métasurfaces et le SESAM, une localisation spatiale a été démontrée, contrôlée par les inhomogénéités et une injection non résonante. À l’aide de l’équation despot laser et bi-laplacien une analyse de la dynamique spatiale a permis d’expliquer ces états localisés de la lumière, leur dynamique spatiale, et in fine la difficulté d’observation des SLS