Chaos dans les lasers CO₂: Effets galvaniques et effets d'un absorbant saturable

Abstract

Les lasers CO₂ à décharge électrique continue peuvent développer plusieurs types d’instabilités, celles-ci sont dûes soit au mécanisme de pompage du laser – la décharge devient instable pour certaines compositions du gaz, ou valeurs du courant -, soit à l’adjonction d’un absorbant saturable (L.S.A.) dans la cavité laser. On présente ici une étude expérimentale de ces instabilités et une interprétation des effets observés basées sur les concepts de la dynamique non linéaire. On a d’abord montré que lorsque la décharge d’un laser CO₂ devient instable, la variation des paramètres de cette décharge peut mener à une cascade de doublements de période qui se termine par des oscillations chaotiques, la décharge du laser CO₂ peut aussi présenter d’autres comportements dynamiques : bistabilité généralisée, c'est-à-dire entre régimes dynamiques ou oscillations sur deux échelles de temps très différentes. a) Soit le laser se déstabilise par petites oscillations sinusoïdales qui doublement de période puis éventuellement évoluent vers le chaos si l’on modifie convenablement les conditions de fonctionnement du laser. C’est un cas très clair de cascade de doublement de période à la Feigenbaum. b) Soit le laser se déstabilise en émettant de grandes impulsions suivies d’un nombre variable d’oscillations de plus en plus grandes. La variation des paramètres du laser conduit alors à une succession de régimes périodiques et chaotiques semblables à ceux observés dans la réaction chimique de Belousov-Zhabotinsky et attribué à une dynamique à la Shil’nikov. Différents outils conceptuels (trajectoires dans l’espace des phases, attracteurs …) issus de la dynamique des systèmes non linéaires ont permis de clarifier l’évolution des signaux observés et de proposer des mécanismes simples pour la dynamique du laser avec absorbant saturable. Des simulations numériques effectuées à l’aide d’un modèle très simple du laser ont permis de retrouver les deux types de dynamique avec les valeurs de paramètres correspondant à l’expérience et de confirmer l’origine des instabilités observées.