Réalisation de dispositifs térahertz et optique non-linéaire dans les lasers à cascade quantique Julien Madéo, Sukhdeep Dhillon et Jérôme Tignon Laboratoire Pierre Aigrain, École Normale Supérieure, CNRS UMR 8551, UPMC Univ Paris 6, 24 rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05, France Résumé La gamme térahertz (1 THz ~ 1012 Hz) est une région du spectre électromagnétique située à l’interface entre les techniques optiques et électroniques de génération et détection d’un rayonnement. Cette gamme est qualifiée de fossé technologique THz en raison d’un manque de dispositifs fiables, compactes et bon marché alors que les applications potentielles qui y sont liées recouvrent de nombreux domaines. Cette thèse est articulée autour de l’étude d’une source prometteuse : le laser à cascade quantique (LCQ). Ce dispositif est un bon candidat pour combler ce fossé technologique, mais, ne fonctionne qu’à des températures cryogéniques. Le gain optique des LCQ a été étudié par spectroscopie THz dans le but de mieux comprendre leur fonctionnement. Cette technique a été optimisée pour ces études en élaborant des sources d’impulsions THz (antennes photoconductrices). Enfin, les propriétés non-linéaires des LCQ THz ont été étudiées dans le but de réaliser un convertisseur optique de fréquences s’appuyant sur des non-linéarités géantes et résonantes dans la structure. Ce travail a conduit à la conversion d’ondes THz sur une porteuse optique infrarouge avec des rendements records. Principaux résultats obtenus Mesure du gain d’un laser à cascade quantique double fréquence par spectroscopie THz dans le domaine temporel Conversion tout optique de fréquences avec un LCQ Le laser à cascade quantique: principe Mesure de l’amplification de composantes du spectre d’impulsions THz Montage expérimental Conversion d’une onde THz sur une porteuse optique infrarouge Interaction non-linéaire triplement résonante sans accord de phase Système compact: LCQ = source THz + milieu non-linéaire + guide d’onde Efficacité de conversion record : 10 % Sans champ électrique 3 CB Energie 2 1 Avec champ électrique Principe de l’expérience Energie e- hn Cascade: répétition de périodes  1 electron = plusieurs photons e- LCQ L’énergie des transtiions dépend seulement de l’épaisseur des couches (ingénierie de structure de bande) Laser unipolaire – injection d’électrons Optimisation de sources d’impulsions THz: les antennes photoconductrices interdigitées Mesure du gain par spectroscopie THz: accès au gain spectral d’un LCQ en dessous et au-delà du seuil laser. Amélioration des performances d’un LCQ double fréquence et mise en évidence de l’action laser simultanée pour les 2 fréquences. Spectres Schéma du principe Pompe IR sans LCQ Electrodes métalliques polarisées sur un substrat GaAs Photoexcitation de l’espace entre électrodes accordée avec la bande interdite du matériau par des impulsions ultra-brèves d’un laser femtoseconde Titane:Saphir Generation d’un rayonnement THz par accélération entre les électrodes des charges photogénérées Raie générée Pompe IR avec LCQ En collaboration avec le Cavendish Laboratory de l’Université de Cambridge, J. R. Freeman et al., Applied Physics Letters, 96, 5 (2010) En collaboration avec le laboratoire MPQ (Paris 7), Brevet déposé n°1003880, publication dans Nature Photonics en préparation Perspectives Etude des LCQ par spectroscopie THz Propriétés non-linéaires des LCQ Etudes du gain de LCQ de différents types (par dépopulation par phonons-LO) dans le but de comprendre la limitation de fonctionnement en température Etude de la dynamique du gain: formation du gain, saturation du gain Contrôle de la phase de LCQ pour application comme source pour la spectroscopie THz Développement de la technique vers les technologies du moyen infrarouge (LCQ à température ambiante et longueur d’onde télécom) Elaboration de LCQ optimisant l’intéraction non-linéaire Etude du processus inverse: génération THz par mélange de 2 ondes infrarouge Décalage du spectre d’émission vers les hautes fréquences quand l’espace entre électrodes diminue Ajustement d’un seul paramètre géométrique lors de la fabrication J. Madéo et al., Electronics Letters, 46(9), 611 (2010) Projets soutenus par: Collaborations: