Dinàmica no lineal de sistemes làsers: potencials de Lyapunov i diagrames de bifurcacions

Abstract

En aquest treball s'ha estudiat la dinàmica dels làsers de classe A i de classe B en termes del potencial de Lyapunov. En el cas que s'injecti un senyal al làser o es modulin alguns dels paràmetres, apareix un comportament moltmés complex i s'estudia el conjunt de bifurcacions.<br/><br/>1) Als làsers de classe A, la dinàmica determinista s'ha interpretat com el moviment damunt el potencial de Lyapunov. En la dinàmica estocàstica s'obté un flux sostingut per renou per a la fase del camp elèctric.<br/><br/>2) Per als làsers de classe A amb senyal injectat, s'ha descrit el conjunt de bifurcacions complet i s'ha determinat el conjunt d'amplituds i freqüències en el quals el làser respon<br/>ajustant la seva freqüència a la del camp extern. <br/><br/>3) S'ha obtingut un potencial de Lyapunov pels làsers de classe B, només vàlid en el cas determinista, que inclou els termes de saturació de guany i d'emissió espontània.<br/><br/>4) S'ha realitzat un estudi del conjunt de bifurcacions parcial al voltant del règim tipus II de la singularitat Hopf--sella--node en un làser de classe B amb senyal injectat.<br/><br/>5) S'han identificat les respostes òptimes pels làsers de semiconductor sotmesos a modulació periòdica externa. S'han obtingut les corbes que donen la resposta màxima per cada tipus de resonància en el pla definit per l'amplitud relativa de modulació i la freqüència de modulació.

In this work we have studied the dynamics of both class A and class B lasers in terms of Lyapunov potentials. In the case of an injected signal or when some laser parameters are modulated, and more complex behaviour is expected, the bifurcation set is studied. The main results are the following:<br/>1) For class A lasers, the deterministic dynamics has been interpreted as a movement on the potential landscape. In the stochastic dynamics we have found a noise sustained flow for the phase of the electric field. <br/>2) For class A lasers with an injected signal, we have been able to describe the whole bifurcation set of this system and to determine the set of amplitudes frequencies for which the laser responds adjusting its frequency to that of the external field. <br/>3) In the case of class B lasers, we have obtained a Lyapunov potential only valid in the deterministic case, including spontaneous emission and gain saturation terms. The fixed point corresponding to the laser in the on state has been interpreted as a minimum in this potential. Relaxation to this minimum is reached through damped oscillations. <br/>4) We have performed a study of the partial bifurcation set around the type II regime of the Hopf-saddle-node singularity in a class B laser with injected signal. <br/>5) We have identified the optimal responses of a semiconductor laser subjected to an external periodic modulation. The lines that give a maximum response for each type of resonance are obtained in the plane defined by the relative amplitude modulation and frequency modulation.