Blocage de la Phase des Lasers à Cascade Quantique – PHASELOCK

La gamme de fréquence THz, qui s’étend entre les micro-ondes et le moyen infra-rouge offre des applications uniques dans des domaines variés allant de la médecine à l’imagerie pour la sécurité, le contrôle non-destructif, l’astronomie submilimétrique et la détection de gaz [Miles 2001; Mittleman 2003]. Néanmoins, la gamme THz reste encore largement inexplorée en raison du coût, des performances limités ou des dimensions des sources et détecteurs utilisés jusqu’à présent (ex. lasers à gaz ; laser à électron libre ; bolomètre). Il s’agit du « gap THz » qui fait référence au manque de technologies dans ce domaine. Dans ce contexte, une rupture a été réalisée avec l’avènement du Laser à Cascade Quantique THz (QCL) [Kölher 2002]. Ce dispositif nanostructuré de type III-V est très prometteur comme source THz dans la mesure où il utilise la technologie standard des semiconducteurs. Il est de surcroît puissant et très compact. Les développements dans ce domaine sont rapides et à l’heure actuelle les QCLs fonctionnent jusqu’à une température de 200K [Fathololoumi 2012].

Nous proposons ici de rapprocher la technologie des QCLs THz et l’optique ultra-rapide afin de créer un système hybride source-détection présentant des bénéfices importants pour les applications en spectroscopie. Dans ce contexte, l’une des techniques de spectroscopie les plus florissante est la spectroscopie dans le domaine temporel (TDS) qui utilise des lasers ultra-courts (typiquement fs Ti :Sa à 800nm, mais aussi les lasers à plus bas coûts et plus compacts que sont les lasers à fibre à 1.55 microns) pour la génération et la détection [Martin 2010; Zhao 2010]. Dans l’état de l’art actuel, la spectroscopie TDS-THz repose essentiellement sur l’utilisation d’antennes photoconductrices peu puissantes (pW jusqu’à quelques microW) excitées par des impulsions femtosecondes. La détection est typiquement réalisée par échantillonnage électro-optique (ex : dans des cristaux ZnTe qui utilisent l’effet Pockels). La détection étant cohérente, elle est extrêmement sensible à toute émission THz en phase, mais insensible à toute source de rayonnement non-synchrone (en particulier le bruit thermique). Néanmoins, le principal inconvénient de cette technique est que la génération utilisant les antennes photoconductives est inefficace et limitée aux faibles puissances. Dans la mesure où les QCLs THz sont des sources capables d’émettre dans la gamme du mW, leur utilisation en TDS est très largement souhaitée. Cela nécessite de bloquer la phase de l’émission des QCLs sur un laser fs, ce qui est le cœur de la présente proposition. Cela ouvrira la possibilité de combiner les avantages des QCLs avec ceux de la TDS, en prenant avantage de la puissance des premiers et de la sensibilité de la seconde.

Le présent projet vise à bloquer la phase de l’émission des QCLs en utilisant la technique de l’injection optique, ainsi qu’à développer un système de spectroscopie ultra-sensible, compact et bas coût. Le projet rassemble un consortium de niveau international sur toute la chaine requise, depuis la fabrication de dispositifs jusqu’aux applications en spectroscopie : la croissance des matériaux (III-V Lab), le design et la technologie des QCLs (PSUD), la spectroscopie ultra-rapide optique/THz (LPA) et les applications à la spectroscopie des gaz (LPCA). Le programme scientifique vise à (i) optimiser le blocage de phase des QCLs pour l’émission cw et modelockée sous injection THz ; (ii) l’optimisation du schéma de couplage pour autoriser l’injection directe avec des impulsions optiques plutôt qu’avec des impulsions THz ; (iii) étendre les principes de l’injection à l’utilisation de lasers compacts et bas coûts que sont les lasers à fibre ; (iv) démontrer la grande sensibilité d’un tel système pour la spectroscopie de molécules.