Yliopiston etusivulle Suomeksi På svenska In English Helsingin yliopisto

Dynamics of free-running, pump-modulated and coupled semiconductor and solid-state lasers

Show full item record

Files in this item

Files Description Size Format View/Open
dynamics.pdf 1.109Mb PDF View/Open
Use this URL to link or cite this item: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-3238-7
Vie RefWorksiin
Title: Dynamics of free-running, pump-modulated and coupled semiconductor and solid-state lasers
Author: Fordell, Thomas
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physical Sciences, Accelerator Laboratory
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The output of a laser is a high frequency propagating electromagnetic field with superior coherence and brightness compared to that emitted by thermal sources. A multitude of different types of lasers exist, which also translates into large differences in the properties of their output. Moreover, the characteristics of the electromagnetic field emitted by a laser can be influenced from the outside, e.g., by injecting an external optical field or by optical feedback.

In the case of free-running solitary class-B lasers, such as semiconductor and Nd:YVO4 solid-state lasers, the phase space is two-dimensional, the dynamical variables being the population inversion and the amplitude of the electromagnetic field. The two-dimensional structure of the phase space means that no complex dynamics can be found. If a class-B laser is perturbed from its steady state, then the steady state is restored after a short transient. However, as discussed in part (i) of this Thesis, the static properties of class-B lasers, as well as their artificially or noise induced dynamics around the steady state, can be experimentally studied in order to gain insight on laser behaviour, and to determine model parameters that are not known ab initio. In this Thesis particular attention is given to the linewidth enhancement factor, which describes the coupling between the gain and the refractive index in the active material.

A highly desirable attribute of an oscillator is stability, both in frequency and amplitude. Nowadays, however, instabilities in coupled lasers have become an active area of research motivated not only by the interesting complex nonlinear dynamics but also by potential applications. In part (ii) of this Thesis the complex dynamics of unidirectionally coupled, i.e., optically injected, class-B lasers is investigated. An injected optical field increases the dimensionality of the phase space to three by turning the phase of the electromagnetic field into an important variable. This has a radical effect on laser behaviour, since very complex dynamics, including chaos, can be found in a nonlinear system with three degrees of freedom. The output of the injected laser can be controlled in experiments by varying the injection rate and the frequency of the injected light. In this Thesis the dynamics of unidirectionally coupled semiconductor and Nd:YVO4 solid-state lasers is studied numerically and experimentally.Det finns många olika typer av lasrar, vilket också betyder att egenskaperna hos det ljus som lasrar emitterar varierar mycket. Därtill kan egenskaperna hos laserljus ändras genom till exempel optisk injektion. Vid optisk injektion injiceras ljus in i en laser från en extern ljuskälla, som oftast är en annan liknande laser. I den här avhandlingen har dynamiken hos frigående, modulerade och optiskt injicerade halvledar- och fasta tillståndets lasrar undersökts experimentellt och numeriskt.

Frigående halvledar- och fasta tillståndets lasrar har två frihetsgrader: amplituden på det elektromagnetiska fältet (uteffekt) och populationsinversionen i det aktiva området (mängden exciterade atomer). Om en sådan laser störs från sitt jämviktsläge återgår den snabbt tillbaka till jämviktsläget via ett fåtal oscillationer. Frigående lasrar av ovannämnda typer uppvisar med andra ord inte komplicerad (och intressant) dynamik. Däremot kan man undersöka artificiellt eller brus inducerad dynamik runt jämviktsläget i syfte att mäta olika parametrar som beskriver egenskaper hos dessa lasrar. I avhandlingens första del har stor vikt satts på att experimentellt mäta den så kallade alfa-faktorn, som beskriver kopplingen mellan förstärkningen och brytningsindexet i laserns aktiva del. Med andra ord kvantifierar alfa-faktorn kopplingen mellan det emitterade ljusets amplitud och fas.

I avhandlingens andra del har dynamiken under optisk injektion undersökts. Injektion av ljus från en annan laser ändrar radikalt på lasrarnas beteende. Det beror på att det injicerade ljuset omvandlar fasen på det elektromagnetiska fältet till en viktig variabel och ökar således antalet frihetsgrader från två till tre. Beroende på det injicerade ljusets effekt och frekvens, kan den icke-linjära växelverkan ge upphov till bland annat stabila, periodiska och kaotiska tillstånd i lasern.

Optiskt injicerade halvledarlasrar har en del nutida tillämpningar och även några potentiella framtida tillämpningar. I dagsläget används optisk injektion till att förstärka svagt ljus av god kvalitet och till karakterisering av lasrar. I framtiden kan optisk injektion även finna tillämpningar inom telekommunikationsindustrin och radarteknologin. Optiskt injicerade lasrar och andra typer av kopplade lasersystem är dock inte endast intressanta tack vare tillämpningarna. Dessa lättkontrollerade system ger också goda möjligheter att experimentellt studera egenskaper hos icke-linjära dynamiska system.
URI: URN:ISBN:978-952-10-3238-7
http://hdl.handle.net/10138/23131
Date: 2007-04-13
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
This item appears in the following Collection(s)

Show full item record

Search Helda


Advanced Search

Browse

My Account