Produire des impulsions terahertz ultracourtes avec un laser à semiconducteurs

Des physiciens du Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantique (CNRS / Univ. Paris 7), du SYRTE (Obs. de Paris / CNRS / UPMC / LNE) et de l’Université de Leeds viennent pour la première fois d’obtenir et de caractériser des impulsions de rayonnement terahertz ultracourtes générées par un laser à semiconducteur. Ces résultats ouvrent la porte à la génération directe de peignes de fréquence THz à haute puissance, qui pourront être utilisés dans cette partie exotique du spectre électromagnétique comme références de fréquence pour la spectroscopie à haute résolution ou bien la détection simultanée de plusieurs types de gaz. Ce travail fait l’objet d’une publication dans la revue Nature Photonics.

Avec l’arrivée d’émetteurs et de détecteurs performants, les ondes terahertz sont aujourd’hui l’objet de toutes les attentions. Ce rayonnement électromagnétique, dont la fréquence se situe entre celle des ondes radio et du rayonnement infrarouge, permet d’imager et d’analyser de nombreuses substances tout en traversant plastique, tissu ou papier. Cela en fait un outil de choix pour l’imagerie dans le domaine de la sécurité, les tests non destructifs dans l’industrie, la surveillance de l’atmosphère, la radioastronomie… Les efforts actuels portent sur la réalisation de sources terahertz plus compactes et puissantes que les émetteurs actuels.

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Train d’impulsions THz émis par le laser à cascade quantique en régime de verrouillage de modes.

Démontrer qu’un laser à semiconducteur est en mesure d’émettre des impulsions de 10 psde durée a constitué un vrai défi. Pour réaliser ce travail, l’équipe de physiciens a utilisé des lasers à cascade quantique, sources laser à semiconducteur obtenues à partir de puits quantiques couplés. Ils ont démontré qu’en modulant le courant d’un laser à cascade quantique THz il est possible de synchroniser les différents modes à l’intérieur de la cavité optique : le résultat est un train d’impulsions d’environs 10 ps de durée à un taux de répétition de 10 GHz. Ils ont ensuite analysé le rayonnement produit grâce à la mise en place d’une technique d’échantillonnage à l’aide d’un laser à fibre femtoseconde. C’est la première fois que des impulsions THz ultra-courtes sont générées directement par un laser à semiconducteur. La concentration de l’énergie lumineuse dans des impulsions ultracourtes a permis de multiplier la puissance crête d’un laser à cascade quantique THz d’un facteur dix. Ce résultat permet, par exemple, d’envisager l’emploi des lasers à cascade quantique THz dans des applications de détection à distance où les impulsions sont utilisées pour identifier différents types de gaz.

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Représentation schématique de la technique d’échantillonnage qui a permis de détecter les impulsions émises par le laser à cascade quantique. Un train d’impulsions issu d’un laser fs permet d’échantillonner les impulsions THz. Si les trains d’impulsions issus des deux lasers ne sont pas synchronisés, l’impulsion THz n’est pas reconstruite correctement à cause de la fluctuation temporelle entre les impulsions.