Gain,Laser Aléatoire et Désordre – GLAD

Dans les lasers à cavité miroirs, l'émission stimulée se produit sur des modes bien définis de la cavité pour produire un faisceau cohérent. En général, un soin tout particulier est requis pour supprimer toute source de diffusion à l'intérieur de la cavité qui pourrait réduire le temps de résidence des photons dans le mode laser et entrainerait une augmentation du seuil laser. A l'opposé, dans un « laser aléatoire » sans miroir, la diffusion multiple retient la lumière dans la région à gain. Le retour vers le milieu à gain forcé par les diffuseurs aléatoirement distribués conduit à l'oscillation cohérente du mode de radiation, comme dans un laser conventionnel. Cette rétraction induite par le désordre facilite l'effet laser dans les suspensions colloïdales en présence d'un colorant actif et dans les poudres de semi-conducteurs ou de terres rares, pompées optiquement. Cependant, une émission laser plutôt isotrope et un seuil élevé limite toujours l'intérêt des lasers aléatoires. Un confinement optique efficace est donc nécessaire pour réduire le nombre de modes dans le laser et par conséquent améliorer les caractéristiques spectrales et spatiales du laser aléatoire. Cet objectif peut être atteint est présence d'un désordre extrême dans lequel la lumière peut se trouver piégée dans une région finie de l'espace, conséquence du jeu complexe des interférences entre ondelettes multiplement diffusées. En effet, si le régime dit de localisation d'Anderson est atteint, les modes électromagnétiques sont exponentiellement localisés dans l'espace. Si en outre le milieu est actif, ces modes localisés sont alors naturellement sélectionnés par le gain. Il jouent le rôle des modes de cavité des lasers conventionnels. On s'attend alors à une réduction significative du seuil laser, due au confinement spatial par le désordre. Le régime de localisation est donc favorable à une émission laser efficace dans les milieux multiplement diffusifs actifs, en l'absence de miroirs. L'originalité et la spécificité de ce projet est de « faire descendre dans la salle blanche » un concept théorique de la physique fondamentale. Les objectifs fixés sont (1) de proposer et de concevoir un micro-laser qui puisse démontrer l'effet laser aléatoire avec rétroaction cohérente dans le régime de localisation forte, ceci en utilisant une technologie qui offre un contrôle unique et une reproductibilité de la géométrie du désordre, (2) de caractériser le dispositif et définir les limites d'opérabilité du régime de localisation, (3) d'explorer la sensibilité du laser aléatoire à une perturbation locale et de proposer des applications possibles de ce dispositif s'appuyant sur ses caractéristiques. Le succès de ce projet reposera sur la synergie entre compétences fondamentales et expertise des lasers. Les deux partenaires de ce projet, le groupe photonique au LAAS-CNRS à Toulouse et le groupe Propagation des Ondes en Milieux Complexe au LPMC à Nice, ont travaillé depuis un an à la préparation de ce projet dans le cadre d'un programme PEPS (ST2I) pour apprendre les concepts fondamentaux, mieux apprécier les enjeux technologiques et constituer un groupe de travail. Ils mettront en commun leur expertise respective en laser à microcavités semi-conductrices et en modélisation de la diffusion et de la localisation de la lumière pour concevoir et développer ce micro-laser aléatoire. Le groupe du LAAS-CNRS a développé récemment des concepts innovants de laser à puits quantique dans les composés AlGaAs/GaAs. Dans ce projet, ce groupe réalisera et caractérisera un laser aléatoire planaire pompé optiquement, basé sur une membrane de GaAs suspendue et perforée aléatoirement. Elle contiendra un puits quantique de GaInAs pour une émission à une longueur d'onde voisine de 1 µm. Le pompage optique se fera par la surface supérieure pour exciter une partie de la zone perforée, pour une excitation sélective des modes lasers. L'expérience accumulée par le groupe du LPMC dans les domaines de la d