Control of passive and active open random media: Theoretical and Experimental investigations
Contrôle des milieux aléatoires passifs et actifs ouverts: études théoriques et expérimentales.
Résumé
Light propagation in matter is described by vibration eigenstates, called modes, which characterize the light-matter interaction. In the specific case of random media, according to the strength of the disorder, the modes can be either extended over the whole system or spatially localized. This disorder-based confinement is called Anderson’s localization.
In the first part, we introduce basic notions used along this manuscript. In particular the light-matter interaction requires a semiclassical approach: The electromagnetic field is described by Maxwell’s equations while the quantum nature of matter must be considered. In this thesis open media are studied. In such systems the modal description requires a specific analytic treatment different from closed problems. In the second part, we focus on Anderson-localized modes in open passive random media. Any change of the disorder induces modifications of modes. Therefore, it enables the control over the light properties. Moreover, when inserting an emitter inside an Anderson-localized mode, strong light-matter interaction regimes can be reached. In the third part, active random media, commonly called random lasers, are introduced. Using our experimental achievements, characteristics of random lasers are presented. The notion of mode enables us to describe complex mechanisms involved in the lasing emission. Last, we demonstrate both experimentally and numerically that a non-uniform excitation of random lasers can lead to a control of the properties of the emission. In particular a multimode spectrum for a uniform pumping can be turned into single-mode using an adapted pumping.
La propagation de la lumière dans un milieu matériel est décrite par des états propres de vibration, communément appelés modes, qui caractérisent l'interaction lumière-matière. Dans le cas particulier des milieux aléatoires, en fonction de l'importance du désordre, ces modes peuvent être soit étendus à tout le système ou alors spatialement localisés. Ce confinement par le désordre est appelé localisation d'Anderson.
Dans une première partie, nous introduisons les notions de base utilisées dans ce manuscrit. L'interaction lumière-matière requière une description semi-classique : le champ électromagnétique est décrit par les équations de Maxwell, tandis que la nature quantique de la matière est considérée. Les milieux étudiés dans cette thèse sont ouverts. La description des modes dans de tels systèmes nécessite une approche analytique différente de celle utilisée dans les milieux fermés.
Dans une seconde partie, nous nous intéressons aux modes localisés dans des milieux ouverts et passifs. Au sein de tels systèmes, une modification du désordre affecte les modes. Il est ainsi possible de les faire interagir et de manipuler les propriétés du champ électrique. Par ailleurs, en plaçant un émetteur au sein d'un mode localisé, il est également possible d'atteindre des régimes de forte interaction lumière-matière.
Dans une troisième partie, les milieux aléatoires actifs (ou lasers aléatoires) sont introduits. En partant de réalisations expérimentales, les principales propriétés de ces lasers sont étudiées. L'utilisation de la notion de mode permet de décrire les mécanismes complexes sur lesquels reposent ces systèmes.
Enfin, nous démontrons à la fois expérimentalement et numériquement qu'une excitation non-uniforme des lasers aléatoires peut permettre de contrôler leurs propriétés. En particulier, un laser aléatoire ayant une émission multimode pour un pompage uniforme peut émettre une lumière monomode pour une excitation adaptée.
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