Laser à Cascade Quantique. génération du rayonnement THz par excitation optique des transitions inter-bandes

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1 Laser à Cascade Quantique étudié par spectroscopie THz ultrarapide, et génération du rayonnement THz par excitation optique des transitions inter-bandes Présentation : Simon SAWALLICH Date : Mercredi 14/04/2008 Encadrement : S. DHILLON Lieu : ENS, Lab. Pierre Aigrain, Équipe THz, J. TIGNON Cadre: Stage M2, Matière condensée; Janvier - Mars 2008

2 Plan 1. Fonctionnement des Lasers à cascade quantique (QCL) 2. La spectroscopie THz et l application aux lasers à cascade quantique Optimisation des QCL 3. Excitation des transitions inter-bandes dans un QCL sous illumination infrarouge Génération THz 2

3 Laser à cascade quantique (QCL) Transitions inter-sous-bandes dans la bande de conduction 3 - Laser unipolaire d électrons - Énergie ne dépend que de l épaisseur des couches Énergie 2 1 Production d une structure Sous champ électrique - Certaines quantifications d énergie - Inversion de population Énergie e - hν e - 3

4 Structure d un QCL QCL schéma 1 période Puits quantiques d épaisseurs différentes niveaux d énergie Sous tension: formation de sous-bandes par alignement des niveaux Transport d électrons dans les mini-bandes (plusieurs sous-bandes couplées) Transition laser entre certaines sous-bandes (3 à 2) 4

5 Structures fines Couches épitaxiées de GaAs/AlGaAs Direction de croissance Couches: - quelques nm Structure: - 3 mm x 200 µm x 12 µm 5

6 QCL dans le régime THz THz QCLs Max. Temp. (K) 1-5 THz µm 4-20 mev Longueur d onde (µm) But: Augmentation de la température de fonctionnement 6

7 Spectroscopie THz Zone Active THz d entrée QCL THz THz de sortie 7

8 Spectroscopie THz résolue en temps 800 nm 100 fs 80 MHz 20 % Ligne de retard IR sonde Laser TiSa ML 80 % THz Génération THz par une antenne photoconductrice V THz Échantillon THz ZnTe λ/4 WP Détection THz électrooptique Pompe IR 100 fs Électrodes sur GaAs Balance de Photodiodes 8

9 Signal THz Impulsion THz créée par l antenne Impulsion IR sonde Impulsion THz de l antenne Spectre obtenu par transformé de Fourier Durée de l impulsion IR sonde: 0,1 ps Durée de l impulsion THz: 1 ps On retarde l impulsion IR sonde par rapport à l impulsion THz On sonde le THz avec l impulsion IR 9

10 Application aux QCLs E I ~ 400fs t Zone Active E I t QCL THz f Processus dans le QCL f L impulsion THz est couplée dans le QCL en fonctionnement e - ħω QCL Le signal sort donc amplifié à la fréquence laser du QCL Là elle stimule des transitions lasers e - 10

11 Application aux QCLs Comparaison des signaux: - Référence: transmission par QCL sans voltage appliqué - Signal: amplifié par QCL sous tension Spectre Signal Référence temporel 11

12 Courbe de Gain Résultats: Gain Gain: Les pertes compensent le gain: Le QCL amplifie et ajoute une phase: Signal Référence 12

13 Investigation inter-bandes Spectroscopie Excitation optique THzdes transitions inter-bandes IR THz d entrée d entrée 800 nm, 100 fs ~ 400fs THz de sortie e - ħω QCL e - QCL THz 13

14 Investigation inter-bandes Illumination du QCL avec le rayonnement proche infrarouge Excitation des e - de la bande de valence vers la bande de conduction dans les niveaux lasers. (Transitions inter-bandes) Les transitions entre les sous-bandes excitées créent le rayonnement THz, si la largeur spectrale du faisceau IR est suffisamment grande 14

15 Mélange de fréquences Impulsion THz générée, résolue en temps Spectre de l impulsion, pic à la fréquence du QCL 15

16 Longueur d onde Résonance à 808 nm à la longueur d onde de l impulsion proche IR 16

17 Largeur spectrale Augmentation du signal avec diminution de la largeur spectrale IR 17

18 Bilan énergétique Structure de bande du QCL 2,1 THz Énergie d excitation entre les deux niveaux responsables de la transition laser 18

19 D autres paramètres expérimentaux Tension appliquée Rapport cyclique Température Polarisation Puissance de l IR proche Position du spot sur l échantillon 19

20 Conclusion Spectroscopie THz Investigation inter-bandes Mesures du gain d un QCL e - ħω QCL e - Génération THz dans un QCL par excitation interbande optique Merci beaucoup! 20

21 Références 21

22 Fin de la présentation & Début des feuilles supplémentaires 22

23 Cascade Période: région d émission + région de transport N répétitions de cette période: Æ 1 électron Æ N photons 23

24 Génération du rayonnement THz Génération THz V Pompe IR 100 fs Électrodes sur GaAs THz Antenne photoconductrice, sous tension Illumination avec des impulsions dans le proche IR Génération de paires électron-trou Porteurs de charges accélérés Antenne: 4V, 50 khz, 50% RC Rayonnent comme un dipôle 24

25 Détection du rayonnement THz Sous absorption du champ THz le cristal ZnTe devient biréfringent par effet Pockels La sonde IR (initialement linéairement polarisée) qui passe, subit un petit déphasage La polarisation devient elliptique en traversant la lame quart d onde Le prisme de Wollaston sépare spatialement les deux composantes du faisceau IR Circuit de balance de deux photodiodes Sans THz: pas de signal Avec THz incident sur ZnTe: THz λ/4 WP ZnTe IR sonde Détection THz Balance de Photodiodes 25

26 Spectroscopie THz résolue en temps 800 nm 100 fs 80 MHz 20 % Ligne de retard IR sonde Laser TiSa ML 80 % THz Génération THz Électrodes sur GaAs V THz QCL λ/4 ZnTe Détection THz Pompe IR 100 fs THz WP Antenne: 4V, 50 khz, 50% RC Balance de Photodiodes 26

27 Comparaison Gain, Puissance laser, Évolution du gain en fonction du courant Il y a du gain en dehors du régime laser Saturation, si le QCL est en marche Courant - Tension 27

28 Modification de l expérience 800 nm 100 fs 80 MHz 20 % Ligne de retard IR sonde Laser TiSa ML 80 % THz - Génération On enlève l antenne THz par l antenne ZnTe QCL - IR arrive directement sur le λ/4 QCL THz WP - Le THz est généré là Détection THz 28

29 Courant passant par le QCL Spectre Pic à 2,1 THz en dessous d un courant de 0,8 A dans le QCL A partir de là, il y a un fond continu des fréquences plus basses 29

30 Comparaison avec TDS Le «gain inter-bande» varie selon la tension appliquée Gain (TDS), Inter-bande, Environ les mêmes limites Le signal inter-bande n arrête pas d augmenter, lorsque le QCL commence à laser Puissance, IV 30

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