Academic literature on the topic 'Lasers à cascade quantique – Applications scientifiques'

Les lasers à cascade quantique ont fait, depuis leur première démonstration en 1994, des progrès considérables, notamment dans le moyen infrarouge (bande spectrale allant de 3 à 12 μm). Ils peuvent maintenant être considérés comme des composants matures pour les applications en défense, sécurité et métrologie industrielle et environnementale. Ainsi, ces lasers sont utilisés dans de nombreux systèmes commerciaux. Nous parcourons dans cet article les progrès récents des lasers à cascade quantique, et discutons des nouvelles perspectives.

Le point central des travaux exposés dans cette thèse est l'étude des réseaux métalliques de surface appliqué au cas des lasers à cascade quantique (LCQ) émettant dans le moyen infrarouge. Nous avons compris les phénomènes physiques mis en jeu dans ce type de structure au moyen de modèles simples qui ont été des outils puissants d'aide à la conception des composants. Les résultats sont confirmés par les études numériques utilisant le formalisme, plus complexe, des matrices S. L'étude de ces réseaux a abouti à plusieurs réalisations : (i) L'élaboration de sources monomodes avec un contrôle précis des longueurs d'onde. L'originalité de ces dispositifs réside dans l'interaction, accompagnée de faibles pertes, du champ électromagnétique avec le métal, ce qui a rendu possible la réalisation de LCQs à contre réaction répartie (DFB) fonctionnant en régime continu, à température ambiante. (ii) Le développement de nouveaux dispositifs, de faible divergence, basés sur une combinaison des réseaux métalliques du premier et second ordre. (iii) La démonstration du fort potentiel d'un LCQ couplé optiquement avec une cavité de haute finesse (OF-CEAS : Optical-Feedback Cavity-Enhanced Absorption Spectroscopy) pour la spectroscopie moléculaire de haute sensibilité. Tous ces développements ont démontré le degré de maturité des réseaux métalliques de surface, bien adaptés aux lasers à cascade quantique pour leur utilisation dans des systèmes de spectroscopie
This thesis work is focused on the top metal grating applied to the Quantum Cascade Lasers operating in the mid-infrared range of the electromagnetic spectrum. Physic phenomena involved in such structure have been understood thank to simple models which have been powerful tools to design devices. Results are confirmed by numerical studies based on the more complex S-matrix formalism. This study leads to several realizations: (i) The processing of single-mode sources with a precise control of the wavelength. The originality of these devices comes from the low loss interaction of the electromagnetic field with the metal. This configuration enables the processing of room temperature continuous wave distributed feedback (DFB) QCLs. (ii) The development of low divergence new devices, based on the combining of a first-order and a second order grating. (iii) The demonstration of the capability of a QCL optically coupled to a high finesse cavity (OF-CEAS : Optical-Feedback Cavity-Enhanced Absorption Spectroscopy) for the high sensitive molecular spectroscopy. All these developments have demonstrated the high maturity level of the top metallic grating, well adapted to the quantum cascade laser for their integration in spectroscopic systems

Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit traite des lasers à cascade quantique à plasmons de surface dans la gamme spectrale du moyen-IR et de leurs applications aux cristaux photoniques moyen-IR et THz. Pour les grandes longueurs d'onde (λ > 10µm) la lumière est confinée au sein de la région active du laser grâce à une couche de métal déposée directement à la surface de la région active. Ces guides sont appelés guide à plasmons de surface. La faible épaisseur de ces guides est un atout majeur pour la fabrication de dispositifs à cristal photonique ou DFB (Distributed Feed Back). Ce manuscrit présente une étude complète de ces guides. Il démontre de manière expérimentale et théorique qu'il est possible d'améliorer les performances de ces guides en utilisant une couche d'argent à la place de l'or habituellement utilisé. Pour approfondir cette étude, une méthode originale basée sur les guides multisections et permettant de mesurer les pertes et le gain des guides à plasmons de surface a été soigneusement étudiée à l'aide de nombreuses expériences. La deuxième partie de ce manuscrit est consacrée à l'étude théorique du réseau nid d'abeille pour la fabrication de microcavité laser pour le moyen-IR et le THz. Cette étude est réalisée grâce à des simulations bidimensionnelles à partir d'un code utilisant la méthode des ondes planes et en trois dimensions grâce à un code utilisant la méthode FDTD (Finite-Difference Time-Domain). Lors de ces études, un phénomène nouveau a été mis en évidence sur les guides métal-métal THz démontrant qu'il est possible d'implémenter un cristal photonique par la seule structuration du métal du contact supérieur.

Les travaux présentés dans ce manuscrit concernent l’utilisation des lasers à cascade quantique dans l’infrarouge moyen en vue d’applications atmosphériques. Les deux premières parties du manuscrit présentent le contexte général de la thèse, le principe des lasers à cascade quantique (QCL), ainsi que l’étude de la bande _1 du SO2 autour de 9 μm avec un QCL en régime continu. Au cours de la troisième partie, nous présentons la première méthode que nous avons utilisée en régime pulsé qui est également la plus répandue utilisant des impulsions de courte durée (_10 ns). Nous avons pu alors mettre en évidence, dans le cadre de l’étude de la molécule de NH3, des problèmes liés à l’utilisation de cette technique qui en limite l’intérêt pour des applications en spectroscopie. Dans la quatrième partie, nous présentons la commande des QCL par impulsions longues (> 500 ns) permettant d’obtenir des spectres intra-impulsionnels avec des temps d’enregistrement de l’ordre de la microseconde. Nous avons pu appliquer cette technique pour l’étude du SO2 (à 9 μm) et comparer avec les résultats obtenus en régime continu. La comparaison des deux modes de fonctionnement précédents et leurs limitations nous a amené à proposer un nouveau mode de fonctionnement, utilisant des impulsions de durée intermédiaire (< 100 ns), présenté dans la cinquième partie du manuscrit. Cette méthode nous a permis de solutionner une grande partie des restrictions usuelles de ce type de laser et au cours de cette étude, nous avons également pu mettre en avant un certain nombre de points importants en ce qui concerne les phénomènes de rapid passage
This thesis work presents atmospheric applications using Quantum Cascade lasers (QCL) emitting in mid-Infrared. Parts I & II present the context of my thesis work, the principle of QCL and the study of _1 band of SO2 around 9 μm by continuous wave operation QCL. In the third part, we present the first method we have employed to command the laser which is also the most popular in pulsed operation. This one consists of operating the laser with a short pulse duration (_ 10 ns). This method has been applied to the study of NH3 and has put in evidence many troubles which limit considerably the interest in spectroscopic applications. In the fourth part, the command of QCL using long pulses (> 500 ns) is presented. We demonstrate the possibility to record an intra-pulse spectrum in about one microsecond. This technic has been applied to the study of SO2 in 9 μm region and the results have been compared with results obtained by continuous wave operation. The conclusion of our previous works (in parts III & IV) drove us to consider a third way with intermediatesize pulse width (< 100 ns). This is presented in the fifth part. This method has solved many troubles of this kind of laser and furthermore it has put into the light the most importants points about "rapid passage" effects

Depuis 1994, les lasers à cascade quantique se sont imposés comme la source laser à semiconducteur de choix dans le domaine du moyen et du lointain infrarouge. Comme la plupart des molécules chimiques possèdent des bandes d'absorption entre les niveaux de rotation-vibration qui se situent dans le moyen infrarouge, les lasers à cascade quantique sont particulièrement adaptés aux applications telles que la spectroscopie, la détection de gaz à l'état de traces ou l'imagerie médicale. Une des voies de recherche actives est aujourd'hui leur optimisation en vue de leur miniaturisation et de leur intégration dans des microsystèmes de détection.
Ce travail de thèse présente l'étude et l'optimisation du confinement optique vertical dans des hétérostructures lasers à cascade quantique épitaxiées sans couche de confinement supérieure. Ces structures sont intéressantes puisqu'elles sont adaptées à la fois au guide à plasmons de surface et au guide avec un confinement par air. En menant une étude approfondie de la répartition du mode optique et du courant électrique, nous avons conçu des structures originales qui ouvrent notamment de nouvelles perspectives sur l'utilisation de ces lasers pour la détection de fluides. Nous avons également montré que l'observation par microscopie en champ proche est un outil précieux pour la caractérisation et la compréhension des lasers à cascade quantique. Finalement, nous posons les bases nécessaires à la réalisation de matrices de lasers monomodes, utilisant la technologie des cristaux photoniques.

Ce travail de thèse porte sur le développement d'un spectromètre laser à cascade quantique (QCL) dans le moyen infrarouge pour des applications en spectroscopie et en métrologie des fréquences. Les principaux objectifs ont été tout d'abord de lever la forte contrainte que constitue le faible domaine spectral accessible au laser à CO2 mais également d'accroître la faible puissance laser disponible pour nos expériences de spectroscopie. Ce nouvel instrument intéresse directement les expériences développées au sein du groupe Métrologie Molécules et Tests Fondamentaux : la mise en évidence de non conservation de la parité dans les molécules chirales et la détermination de la constante de Boltzmann par spectroscopie laser. Au cours de ce travail de thèse, nous avons caractérisé le bruit d'intensité, le bruit de fréquence ainsi que la largeur de raie de la source QCL libre. Les résultats obtenus comparés à la littérature montrent une grande qualité spectrale de cette source laser. L'asservissement en phase de la source QCL sur un laser à CO2 ultra-stable a permis de démontrer le transfert des propriétés spectrales du laser à CO2 à la source QCL. Le spectromètre a ensuite été utilisé pour des expériences de spectroscopie en absorption linéaire des molécules NH3 et de la molécule de Méthyltrioxorhénium, molécules d'intérêt pour les projets de mesure de la constante de Boltzmann et de recherche d'un et de la non-conservation de la parité. Le potentiel de ce spectromètre a également été démontré dans des expériences de spectroscopie à très haute résolution, en absorption saturée
This thesis is devoted to the developpement of a laser spectrometer quantum cascade to frequency metrology and high-resolution spectroscopy. The objective of this work is to developp a new tool for projects in our group : Measuring the Boltzman constant and test of non conservation of parity. Thus the new source was characterized by measuring its spectral density noise, amplitude noise and its emission line width. The phase locking of the QCL on the CO2 laser has achived spectroscopy NH and MTO, molecules of interest for the projects of the group mentioned aboive respectively

Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit traite du développement de dispositifs à base de dioxyde de vanadium VO₂ et de méta-surfaces dans le moyen infrarouge pour des applications passives et une intégration sur des lasers à cascade quantique (QCL). Ce travail a permis l'élaboration de nouvelles conditions de dépôt du matériau à changement de phase VO₂ par ablation laser pulsé à des températures compatibles avec les hétérostructures de III-V utilisées en optoélectronique. Les caractérisations des couches minces déposées montrent un changement de la réflectivité et de la conductivité électrique entre l'état isolant à basse température et l'état métallique à haute température autour de 68°C (341 K). Des développements ont ensuite été menés sur l'emploi d'un réseau de méta-surfaces permettant d'obtenir une couche homogène d'indice de réfraction effectif résonnant. Ces méta-surfaces sont constituées de résonateurs à anneau fendu dont la fréquence de résonance peut être ajustée par le choix de leurs paramètres géométriques et des matériaux les constituant. Une modulation optique de plus de 100cm-1 du pic de la résonance a été obtenue lors de la transition de phase avec des méta-surfaces déposées sur un film de VO₂. Ce résultat est très prometteur pour la conception de dispositifs monolithiques, robustes, compacts, accordables en fréquence et dont les propriétés optiques ne dépendent que de la température de la couche de VO₂.Enfin, ce travail étudie la fonctionnalisation des QCL dans le moyen infrarouge (7-8 µm) par des couches de VO₂ et de méta-surfaces. Il vise à comprendre l’influence des couches intégrées sur les propriétés d’émission. Afin de garantir une bonne interaction entre ces couches et le mode guidé du laser tout en ayant des pertes optiques faibles, des nouveaux guides d'onde ont été modélisés, puis les premiers QCL à base de VO₂ ont été démontrés et une température maximale de fonctionnement de 334 K a été mesurée
The thesis work presented in this manuscript deals with the development of vanadium dioxide VO₂ and meta-surfaces based devices in the mid-infrared for passive applications and an integration on quantum cascade lasers (QCL).This work enabled the elaboration of new deposition conditions for the VO₂ phase change material by pulsed laser ablation at temperatures compatible with III-V heterostructures used in optoelectronics. The characterizations of the VO₂ coated thin films show a change in reflectivity and in electric conductivity between the insulating state at low temperature and the metallic state at high temperature around 68°C (341 K).Developments were then carried out on the use of a meta-surfaces array in order to obtain an homogeneous layer of resonant effective refractive index. These meta-surfaces are constituted by split-ring resonators, whose resonance frequency can be adjusted by choosing their geometric parameters and the materials they are made of. An optical modulation of more than 100cm-1 of the resonance peak has been obtained during the phase transition with meta-surfaces deposited on a VO₂ layer. This result is very promising for the conception of monolithic, robust, compact, frequency tunable devices and whose optical properties only depend on the VO₂ layer temperature.Finally, this work studies the functionalization of mid-infrared QCL (7-8 µm) with VO₂ and meta-surfaces layers. It aims at understanding the influence of the integrated layers on the emission properties. In order to ensure a good interaction between these layers and the laser guided mode while having low optical losses, new waveguides were modeled, then the first VO₂ based QCL have been demonstrated and a maximum operating temperature of 334 K has been measured

Les progrès réalisés au cours des trente dernières années dans les domaines de la croissance cristalline et de la technologie des semiconducteurs III-V ont permis aux composants optoélectroniques (lasers, détecteurs) fonctionnant dans la bande 0,4-1,8 µm d'être de nos jours des éléments essentiels pour les télécommunications, le stockage des données ou le domaine médical. Cependant, de nombreuses applications, comme la détection infrarouge, la spectroscopie moléculaire de polluants atmosphériques, nécessitent le développement de lasers et de détecteurs fonctionnant à plus grande longueur d'onde, notamment dans les fenêtres de transparence atmosphériques (3-5 µm et 8-12 µm). La réalisation de ces différents dispositifs est possible en utilisant les hétérostructures mixtes antimoniures/arséniures. Cependant, plusieurs difficultés sont associées à la croissance épitaxiale de ces hétérostructures (désaccords de maille entre les différents matériaux considérés, caractérisation des hétérostructures, incorporation compétitive des différents éléments V As et Sb...).
L'objet de cette thèse a consisté, dans un premier temps, à déterminer les conditions de croissance permettant la réalisation des lasers à cascade quantique basés sur le système de matériaux AlAsSb/GaInAs épitaxié sur substrat d'InP et de détecteurs photovoltaïques InAsSb épitaxiés sur substrat de GaSb. Pour ce faire, l'ensemble des paramètres intervenant dans l'incorporation concurrentielle des deux éléments V As et Sb (température, vitesse, nature de l'élément III...) a été étudié. Une procédure de détermination des épaisseurs individuelles et des compositions des hétérostructures GaInAs/AlAsSb, par diffraction de rayons X, basée sur l'utilisation d'un double superréseau a également été proposée. Ce travail a permis de mieux comprendre les phénomènes intervenant aux interfaces selon les conditions de croissance utilisées et d'obtenir ainsi un calibrage rigoureux et reproductible. Des résultats préliminaires satisfaisants ont finalement été obtenus sur les diodes électroluminescentes AlAsSb/GaInAs à cascade quantique sur InP ainsi que sur les détecteurs photovoltaïques InAsSb sur GaSb.
La seconde partie de cette thèse a consisté en l'optimisation des conditions de croissance des hétérostructures (Al,Ga)Sb/InAs épitaxiées sur substrat d'InAs et de GaSb. Dans ce système de matériaux, l'existence d'une ségrégation d'indium aux interfaces AlSb/InAs a pu être mise en évidence par différentes techniques de caractérisation (HRTEM, RHEED, HRXRD). La prise en compte de cette ségrégation a permis d'améliorer les performances des LCQs InAs/AlSb et d'atteindre le fonctionnement à température ambiante. Des résultats prometteurs ont également été obtenus pour des structures détectrices interbandes à cascade GaSb/AlSb/InAs.