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Fiche détaillée Thèses
Université Pierre et Marie Curie - Paris VI (12/10/2011), Jérôme Tignon (Dir.)
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Spectroscopie dans le domaine temporel et non-linéarités optiques résonantes des lasers à cascade quantique térahertz
Julien Madéo1

La gamme térahertz est une région du spectre électromagnétique située à l'interface entre les techniques optiques et électroniques de génération et de détection d'un rayonnement. Elle est qualifiée de "fossé" technologique THz en raison du manque de dispositifs alors que les applications potentielles concernant cette gamme sont vastes. Cette thèse comporte trois axes de recherches articulés autour d'une source THz prometteuse : les lasers à cascade quantique (LCQ). Ces hétérostructures de semiconducteurs sont des lasers unipolaires dont l'émission repose sur la relaxation d'électrons entre des états con nés de la bande de conduction (transitions intersousbandes). Tout d'abord, un système de spectroscopie THz dans le domaine temporel, adapté à l'étude du spectre du gain des LCQ THz, a été développé et optimisé. Des sources d'impulsions THz (antennes photoconductrices) ont été réalisées pour ce système permettant d'accéder à une large bande spectrale. Puis, ce système a été employé pour accéder au spectre du gain de LCQ THz, un paramètre clé, et en particulier appliqué à l'étude de LCQ hétérogènes (i.e. comprenant plus d'une région active permettant une émission large bande). Ces études ont permis de déterminer les facteurs limitant et d'améliorer leurs dessins, conduisant à un gain large et une émission laser à deux fréquences simultanément. En n, les propriétés non-linéaires résonantes de LCQ THz ont été étudiées. Une exaltation de la susceptibilité nonlin éaire a été démontrée en accordant un faisceau proche-IR avec des transitions interbandes du LCQ. En combinant cela à la grande puissance THz intracavité des LCQ, la conversion de l'émission THz du LCQ sur une porteuse optique proche-IR est montrée avec des e cacités élevées (0.12 %).
1 :  LPA - Laboratoire Pierre Aigrain
Lasers à cascade quantique – Térahertz – Spectroscopie THz dans le domaine temporel – Optique non-linéaire résonante – Antennes photoconductrices – Spectre du gain

Time domain spectroscopy and nonlinear optical resonances of terahertz quantum cascade lasers
The terahertz (THz) range is a region of the electromagnetic spectrum that lies between optical and electronic techniques to generate and detect radiation. It is also know as the THz "gap" because of a critical lack of devices whereas potential applications are wide ranging. This thesis comprises three research areas, all related to a promising THz source : the Quantum Cascade Laser (QCL). QCLs are unipolar lasers based on semiconductor heterostructures where emission relies on electron relaxation between con ned states in the conduction band i.e. intersubband transitions. In the rst part of this thesis, a THz time domain spectroscopy (TDS) system was developed and optimised that would be adapted to the study of the spectral gain of THz QCLs. Speci cally THz pulse sources (photoconductive antennas) for THz TDS were realised allowing access to a large frequency bandwidth. This system development was used to access the spectral gain of THz QCLs, a key parameter of the device, and applied in particular to the study of heterogeneous THz QCLs (i.e. comprising more than one zone active for broadband emission). The investigations permitted the limiting factors to be determined, improvements in the designs and a resulting broad gain with laser operation at two frequencies simultaneously. Finally, the resonant non-linear optical properties of THz QCLs were studied. An enhancement of the non-linear susceptibility was demonstrated by bringing an injected the NIR beam in resonance with interband transitions of the QCL. Combined with the large intracavity THz power of the QCL, we show that it possible to convert the THz QCL emission onto a near-infrared optical carrier with large e ciencies (0.12%).
Quantum cascade lasers – Terahertz – THz time-domaine spectroscopy – Resonant non-linear optics – Photoconductive antennas – Gain spectrum