Un amplificateur d’impulsions terahertz

La spectroscopie terahertz ultra-rapide permet par exemple d’effectuer des analyses non destructives dans l’industrie ou des analyses de composés chimiques. Son utilisation concerne aussi bien les contrôles de douane ou de sécurité, l’industrie pharmaceutique, les diagnostiques biomoléculaires ou les nanostructures de semiconducteurs. Les impulsions terahertz produites par les sources dont on dispose actuellement sont relativement peu puissantes et le développement d’amplificateurs efficaces permettrait d’améliorer et d’étendre le domaine d’application de ces techniques. Des physiciens du Laboratoire Pierre Aigrain (CNRS / ENS Paris / UPMC / Univ. D. Diderot / Collège de France), du Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques (CNRS/ Univ. D. Diderot) et de l’Université de Leeds viennent de proposer et de réaliser un amplificateur d’impulsions Terahertz reposant sur un nouveau principe : la « commutation de gain » dans un laser à cascade quantique. Ils ont démontré expérimentalement des amplifications d’un facteur de 400. Ce travail, publié dans la revue Nature Photonics, permet d’envisager de nouveaux développements pour les applications de la spectroscopie terahertz.

Fabriquer un amplificateur dans le domaine terahertz est une tâche fort délicate. Les lasers THz (les lasers à cascade quantique) semblent être les candidats idéaux dans la mesure où un laser contient un milieu amplificateur exceptionnel. Néanmoins, une règle fondamentale des lasers montre qu’en régime stationnaire, le gain d’un laser est limité par les pertes du système. Autrement dit, lorsqu’un laser fonctionne en régime stationnaire, il n’est pas possible de tirer profit de tout le gain disponible pour une amplification optimale. Or, contrairement à ce qui peut se faire en optique, il est très difficile de réaliser dans le domaine terahertz des traitements antireflets de qualité pour éliminer les réflexions dans la cavité et supprimer les oscillations laser. Pour contourner cette difficulté, les physiciens du LPA et du laboratoire MPQ ont transformé un laser en amplificateur par l’adjonction d’un commutateur ultrarapide. Le commutateur est ouvert une picoseconde avant l’arrivée de l’impulsion terahertz que l’on souhaite amplifier. Si la synchronisation est bien réalisée, l’oscillation laser n’a pas le temps de s’établir avant l’arrivée de l’impulsion et l’énergie stockée sert intégralement à amplifier le signal. Dans la pratique, l’impulsion effectue quelques aller-retour dans la cavité laser (par réflexion sur les miroirs), ce qui augmente d’autant le gain de l’amplification et a permis d’obtenir un facteur 400 après 7 passages.

D. Darson LPA-ENS