Rozprawy doktorskie na temat „Laser cascade quantique”
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Chassagneux, Yannick. "Photonique pour les lasers à cascade quantique térahertz". Phd thesis, Université Paris Sud - Paris XI, 2009. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00740111.
Streszczenie:
Situées entre l'infrarouge et les micro-ondes, les ondes dites "terahertz" (THz) ont les propriétés de passer aussi bien à travers la peau et les vêtements que les papiers, le bois, le carton ou encore le plastique. Autant d'atouts qui permettent d'envisager de multiples applications dans les secteurs de l'imagerie médicale, de la spectroscopie, de la sécurité et de l'environnement. D'où l'intérêt que suscitent les lasers à cascade quantique terahertz, une récente famille de lasers semi-conducteurs qui émettent à des fréquences de l'ordre du terahertz. Pourtant, s'ils sont aujourd'hui les seules sources compactes fonctionnant dans cette gamme de fréquences, ils présentent deux inconvénients : Premièrement, ils ne fonctionnent qu'à des températures cryogéniques. En vue d'une augmentation future de la température maximale de fonctionnement (Tmax), nous avons développé une étude comparative en fonction de la fré- quence d'émission, ce qui a permis de déterminer les mécanismes principaux limitant la Tmax (courant parasite ainsi que l'émission de phonons optiques lon- gitudinaux activés thermiquement). Deuxièmement, afin d'obtenir les meilleures Tmax, l'utilisation d'un guide métal- métal est nécessaire. Néanmoins, dans un tel guide, l'émission obtenue est fortement divergente, ce qui s'avère rédhibitoire pour une utilisation généralisée. Pour résoudre ce point, nous avons intégrés des cristaux photoniques bidimensionnels définis uniquement par la géométrie du métal supérieur, ce qui a permis l'obtention d'une émission directive par la surface, spectralement mono-mode, tout en maintenant des températures de fonctionnement assez élevées.
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Grouiez, Bruno Parvitte Bertrand Zéninari Virginie. "Applications des lasers à cascade quantique pulsés à l'étude de l'atmosphère". Reims : S.C.D. de l'Université, 2008. http://scdurca.univ-reims.fr/exl-doc/GED00000980.pdf.
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Laffaille, Pierre. "Lasers à cascade quantique moyen infrarouge à base d'InAs". Phd thesis, Université Montpellier II - Sciences et Techniques du Languedoc, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01021281.
Streszczenie:
Les lasers à cascade quantique sont des sources lasers à semiconducteur compactes et capables de délivrer une forte puissance optique sur une large gamme de longueur d'onde dans l'infrarouge. Les QCLs de la filière InP sont les plus établis. Le système de matériaux InAs/AlSb est une solution alternative encore peu développée mais qui, en vertu de ses propriétés, présente des atouts incontestables pour la réalisation de lasers à cascade quantique. Le travail de cette thèse a apporté une meilleure connaissance du système InAs/AlSb et de ses possibilités pour les QCLs, à la fois sur un plan théorique, expérimental et technologique.Nous avons œuvré à l'amélioration des performances des lasers à cascade quantique sur ce système de matériaux, notamment en cherchant à augmenter la température maximum de fonctionnement dans les courtes longueurs d'onde et le lointain infrarouge. Un modèle de transport électronique a été développé. Ce modèle permet de reproduire de manière relativement précise les résultats expérimentaux. Il est un outil utile pour l'amélioration des designs de zone active et, en conséquence, des performances des lasers.La finalité de ces lasers est leur utilisation pour des applications telles que la spectroscopie moléculaire par absorption. Nous avons donc travaillé à les rendre plus adaptés aux besoins de celles-ci, à savoir que leur émission soit monomode, ce que nous avons rendu possible grâce au développement d'une technologie DFB à haut rendement et très reproductible, et qu'ils puissent fonctionner en régime continu, ce qui a été accompli, autour de 9 µm de longueur d'onde d'émission, jusqu'à une température de 255 K en s'appuyant sur un modèle prédictif basé sur une approche analytique.Afin d'atteindre le fonctionnement en régime continu en dessous de 4 µm de longueur d'onde, nous nous sommes penchés sur l'utilisation d'un substrat alternatif en GaSb, qui nous permet de réaliser des claddings conciliant un faible indice de réfaction et de faibles pertes optiques. Nous avons à cette occasion fait la démonstration du premier QCL fonctionnant sur ce substrat, et ce jusqu'à température ambiante à 3,3 µm de longueur d'onde.
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Grouiez, Bruno. "Applications des lasers à cascade quantique pulsés à l’étude de l’atmosphère". Reims, 2008. http://www.theses.fr/2008REIMS025.
Streszczenie:
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 passageThis 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
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Jumpertz, Louise. "Photonique non-linéaire dans les lasers à cascade quantique moyen infrarouges". Electronic Thesis or Diss., Paris, ENST, 2016. https://pastel.hal.science/tel-03689516.
Streszczenie:
Les lasers à cascade quantique émettant dans le moyen-infrarouge sont des lasers semi-conducteurs unipolaires qui sont devenus des sources couramment utilisées pour des applications telles que la spectroscopie de gaz, les communications en espace libre ou les contre-mesures optiques. Appliquer une perturbation externe, typiquement une contre-réaction optique ou de l’injection optique, entraîne une forte modification des propriétés d’émission du laser à cascade quantique. La contre-réaction optique influe sur les propriétés statiques du laser Fabry-Perot ou à contre-réaction répartie, conduisant à une augmentation de la puissance, à une diminution du seuil, à une modification du spectre optique qui peut devenir monomode ou multimode, et à une amélioration de la qualité de faisceau dans les lasers à ruban large fortement multimode transverses. Cela induit également un comportement dynamique différent, et un laser à cascade quantique soumis à de la contre-réaction peut osciller périodiquement ou même devenir chaotique : ce travail présente la toute première observation d'instabilités optiques dans le moyen-infrarouge. De plus, une étude numérique de l’injection optique montre que les lasers à cascade quantique peuvent se verrouiller optiquement sur une plage de plusieurs gigahertz, sur laquelle leur stabilité devrait être accrue et leur bande passante de modulation significativement augmentée. Une dynamique prometteuse apparaît également en dehors de la zone de verrouillage, avec l’apparition d’oscillations périodiques à une fréquence accordable ainsi que des événements isolés de forte intensité. Un laser à cascade quantique soumis à un contrôle externe peut donc être une source très performante pour les applications moyen-infrarouges usuelles, mais pourrait aussi en adresser de nouvelles, telles que des oscillateurs photoniques accordables, des générateurs d’événements rares, des LIDAR chaotiques, des communications sécurisées par chaos ou des contre-mesures imprévisiblesMid-infrared quantum cascade lasers are unipolar semiconductor lasers, which have become widely used sources for applications such as gas spectroscopy, free-space communications or optical countermeasures. Applying external per-turbations such as optical feedback or optical injection leads to a strong modification of the quantum cascade laser prop-erties. Optical feedback impacts the static properties of mid-infrared Fabry-Perot and distributed feedback quantum cas-cade lasers, inducing power increase, threshold reduction, modification of the optical spectrum, which can become either single- or multimode, and enhanced beam quality of broad-area transverse multimode lasers. It also leads to a different dynamical behavior, and a quantum cascade laser subject to optical feedback can oscillate periodically or even become chaotic: this work provides the very first analysis of optical instabilities in the mid-infrared range. A numerical study of optical injection furthermore proves that quantum cascade lasers can injection-lock over a few gigahertz, where they should experience enhanced stability and especially improved modulation bandwidth. Furthermore, some promising dynamics appear outside the locking range with periodic oscillations at a tunable frequency or high-intensity events. A quantum cascade laser under external control could therefore be a source with enhanced properties for the usual mid-infrared applications, but could also address new applications such as tunable photonic oscillators, extreme events gen-erators, chaotic LIDAR, chaos-based secured communications or unpredictable countermeasures
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Le, Biavan Nolwenn. "Vers un laser à cascade quantique à base d’oxyde de zinc". Thesis, Université Côte d'Azur (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019AZUR4070.
Streszczenie:
Le domaine Terahertz (THz), situé entre le domaine visible et micro-ondes, se révèle être très prometteur du point de vue des applications. Cependant, ce potentiel n'est pas totalement exploité à cause du manque de sources compactes capables de couvrir une part importante de cette gamme d'énergie. Les Lasers à Cascade Quantiques (LQC) sont considérés comme de bons candidats, car ils sont à la fois compacts et accordables. Mais dans le domaine THz, les LQCs existants souffrent d'une limite de leur température de fonctionnement ( 200K ), ce qui restreint fortement le champ des applications possibles. Cela vient d'une propriété intrinsèque des matériaux qui sont communément utilisés pour concevoir les LQCs : l'énergie de phonon-LO. Par conséquent, une forte compétition entre la transition assistée par LO-phonon et la transition radiative à la base du LQC survient à température ambiante, ce qui réduit l'efficacité du processus laser. Pour contrer ce problème, nous avons choisi d'utiliser le ZnO, car son énergie de phonon-LO est deux fois plus large que celle des matériaux cités précédemment, ce qui permet au laser de fonctionner jusqu'à température ambiante. Même si le ZnO et ses alliages ne sont pas nouveaux dans le domaine des semiconducteurs, ils sont complètement exotiques dans le domaine des LQCs. Les LQCs reposent sur des hétérostructures hautement périodiques, desquelles les propriétés clés du dispositif final découlent. Par conséquent, ces hétérostructures doivent être contrôlées à la monocouche atomique près et cette précision doit être reproductible sur une centaine de périodes, ce qui fait de la croissance des LQCs un véritable challenge. Cette thèse vise à relever ce défi en portant les hétérostructures ZnO/(Zn, Mg)O a un degré de contrôle ultime. Nous mettons en oeuvre la croissance d'hétérostructures ZnO/(Zn, Mg)O sur substrats ZnO à l'aide d'un nouveau bâti d'épitaxie par jets moléculaires et nous avons démontré qu'elles sont de qualité compatible avec celle requise par les LQCs. Ce premier pas nous a permis de démontrer l'observation des transitions intersousbandes dans le moyen infrarouge jusqu'à température ambiante, ainsi que leur couplage dans des structures à puits quantiques asymétriques. Des structures à cascade complètes ont aussi été crû et ont mené à la première démonstration d'un détecteur à cascade quantique à base de ZnO dans l'infrarouge à température ambiante. Des structures LQC ont aussi été réalisées et des expériences de microscopie électronique en transmission en mode balayage montrent un excellent contrôle des hétérostructuresThe Terahertz domain (THz), situated between the visible and microwave energy range, turns out to be very promissing in terms of applications. However its application potential is not fully used because of the lack for compact sources able to cover a large part of its energy range. Quantum Cascade Lasers (QCL) are good candidates for this purpose, because there are both compact and highly tunable. But in the THz range, the existing QCLs suffer from the operation temperature limitation ( 200K ), which is very restricting from the application viewpoint. It comes from an intrinsic property of the materials commonly used to build QCLs: the LO-phonon energy. As a consequence a strong competition between the LO-phonon transition and the QCL radiative transition arise at room temperature, which hinder the lasing efficiency. To tackle this issue, we choose to make use of ZnO, because its LO-phonon energy is twice larger compared to the aforementioned materials, thus enabling to keep the lasing action efficient at room temperature. Even if ZnO and its related alloys are not new in the field of semiconductor science, they are totally exotic for the QCL field. Indeed, QCL are built from highly periodic heterostructures, from which all the key device properties come from. Therefore, the heterostructure should be controlled at the monolayer scale and this precision should be reproducible on hundred of periods, which made QCL growth an indubitabble challenge. This thesis aims at take up this challenge by bringing ZnO/(Zn, Mg)O heterostructures to this ultime degree of control. We are growing ZnO/(Zn, Mg)O heterostructures on ZnO substrates with a new molecular beam epitaxy system and we demonstrate that the heterostructures quality matche the QCL material requirements. This first step enables us to demonstrate the observation of intersubband transitions in the mid-infrared range until room temperature, as well as their coupling within asymmetric quantum well structures. Complete cascade structures were also grown and lead to the first demonstration of a ZnO based Quantum Cascade Detector in the infrared range until room temperature. QCL structures were also grown and shows very good heterostructure control as stated by scanning transmission electron microscopy experiments
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Mammez, Marie-Hélène. "Détection hétérodyne de molécules d'intérêt atmosphérique à l'aide de lasers à cascade quantique". Thesis, Reims, 2016. http://www.theses.fr/2016REIMS027/document.
Streszczenie:
La détection hétérodyne infrarouge est une technique qui a été développée principalement pour améliorer la détectivité des détecteurs infrarouges, en particulier dans la fenêtre 8-12 μm. Cette technique a longtemps été étroitement associée à l’usage de lasers à gaz. Les domaines d’applications ont été principalement les études astrophysiques et atmosphériques. Peu d’autres applications ont pu être envisagées du fait de la complexité de mise en oeuvre et de l’encombrement de ce type d’instruments. Les progrès récents dans le domaine des lasers à semi-conducteurs (les lasers à cascade quantique - QCL - couvrent une grande partie du spectre infrarouge) permettent d’envisager de nouveaux développements et de nouvelles applications pour la détection hétérodyne infrarouge, par exemple pour la détection et l’identification à distance de molécules d’intérêt atmosphérique telles que les polluants. Les principaux atouts de la détection hétérodyne concernent la sélectivité spectrale et directionnelle de l’instrument. Elle est applicable dans le domaine civil aux molécules d’intérêt atmosphérique telles que l’ozone et le dioxyde de carbone et pour le domaine militaire à la détection d’espèces dangereuses. Un récepteur hétérodyne a été réalisé avec un QCL émettant autour de 10 μm et un corps noir stabilisé en température. Dans ce but, plusieurs systèmes ont été envisagés : un système à base de lentilles, un autre à base de miroirs paraboliques hors axes et un dernier à base de fibres optiques moyen infrarouge. Parallèlement, un héliostat a aussi été développé dans le but de réaliser des mesures atmosphériquesInfrared heterodyne sensing is a technique which has been developed primarily toimprove the detectivity of infrared detectors, particularly in the 8 − 12 μm window. This technique has long been closely associated with the use of gas lasers. The fields of application were mainly astrophysical and atmospheric studies. Due to the complexity of implementation and the size of this type of instrument, ew other applications could have been envisaged. Recent progress in the field of semiconductor lasers (Quantum Cascade Laser - QCL - cover a large part of the infrared spectrum) enable to consider new developments and new applications for infrared heterodyne sensing, for example for the remote detection and identification of atmospheric molecules, such as pollutants. The main advantages of heterodyne sensing concern spectral and directional selectivity of the instrument. It is applicable in civil sector to atmospheric molecules such as ozone and carbon dioxide, and for the military one to detect hazardous species. A heterodyne receiver has been developed with a QCL emitting at around 10 μm and a temperature stabilized black body. To this end, several systems were considered: a system based on lens, another one based on off-axis parabolic mirrors and a last one based on mid-infrared optical fibers. Meanwhile, a heliostat has also been developed in order to do atmospheric measurements
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Loghmari, Zeineb. "Lasers à cascades quantiques InAs / AISb au-delà de 10µm : émission mono-fréquence et génération du THz par différence de fréquences". Thesis, Montpellier, 2019. http://www.theses.fr/2019MONTS088.
Streszczenie:
Des applications telles que la spectroscopie des gaz ou l’imagerie médicale nécessitent des sources de lumières émettant dans l’infrarouge moyen et lointain (10 µm<λ < 28 µm) ainsi que dans le THz (λ > 60µm). Des composants à émission mono-fréquence, fonctionnant en régie continu (CW) et performants sont primordiales pour ce type d’applications. Les lasers à cascade quantiques (LCQs) sont les uniques sources pouvant couvrir cette large gamme de longueur d’onde grâce à leurs transitions inter-sous bandes. Toutefois les performances des LCQs dans cette gamme de longueur d’onde sont souvent limitées par les transitions non radiatives. Ces derniers génèrent des mécanismes tel que l’absorption des photons par les phonons TO où la relaxation des électrons par les phonons LO. Par conséquent, l’émission laser en CW et à température ambiante devient particulièrement difficile. L’objectif de cette thèse est le développement des LCQs InAs/AlSb au-delà de 10 µm pour l’émission mono-fréquence et la génération du THz par différence de fréquence. Un point clé dans ce travail est l’utilisation du système de matériaux InAs/AlSb. Son avantage repose sur la faible masse effective. Elle est de 0,023m0 pour l’InAs contre 0,041m0 pour l’InGaAs et 0,067m0 dans le GaAs. En premier lieu, la mise au point de régions actives LCQs à base d’InAs/AlSb émettant à 11µm a été effectuée. Ce travail a permis la réalisation de sources DFB mono-fréquence émettant en continu à 295K et qui ont été employées dans la spectroscopie QEPAS de l’éthylène. Ce LCQ transféré sur un substrat Silicium (Si), a démontré de très hautes performances. La gamme de longueur d’onde ≥ 11µm a également été exploitée. Tout d’abord en employant un guide d’onde diélectrique où cette étude a permis de réaliser des dessins de régions actives à 20µm dont les performances dépassent l’état de l’art mondial avec un fonctionnement en continu jusqu’à 240K. Ensuite, ces technologies ont aussi été exploitées en employant des guides d’onde métal-métal. Dans cette partie, les limites des guides métal-métal ont été exploités. Ceci a permis de réaliser un LCQ DFB bi-fréquence à guide métal-métal émettant deux longueurs d’ondes dans le lointain infrarouge pour la génération du THz par différence de fréquence. Dans ce contexte, la non-linéarité de ce type de région active a été optimisée. L’extraction de l’onde THz a également été étudiéeApplications such as gas spectroscopy or medical imaging require light sources emitting in the mid- and far infrared (10 µm<λ < 28 µm) as well as in the THz (λ > 60µm). High-performance, continuous wave regime (CW) and single-frequency emission components are essential for this type of application. Quantum cascade lasers (QCLs) are the only sources that can cover this wide range of wavelengths thanks to their inter-sub-band transitions. However, the performance of LCQs in this wavelength range is often limited by non-radiative transitions. The latter generate mechanisms such as photon absorption by TO phonons or electron relaxation by LO phonons. As a result, laser emission in CW and at room temperature becomes particularly difficult. The objective of this thesis is the development of InAs/AlSb LCQs above 10 µm for single-frequency emission and THz generation by frequency difference. A key point in this work is the use of the InAs/AlSb material system. Their advantage is based on the low effective mass. It is 0.023m0 for InAs compared to 0.041m0 for InGaAs and 0.067m0 in GaAs.First, the development of LCQ active regions based on InAs/AlSb emitting at 11µm was carried out. This work made it possible to produce single-frequency DFB sources emitting continuously at 295K and which were used in QEPAS spectroscopy for ethylene sensing. This LCQ has also been transferred to Silicon (Si) substrate. He has demonstrated the world's most efficient LCQ grown directly on Si substrate. The wavelength range ≥ 11µm was also explored. First, by using a dielectric waveguide where this study leads to an active region design at 20µm whose performances exceed the state of the art in the world with continuous operation up to 240K. Then, these technologies were also exploited by using metal-metal waveguides. In this part, the limits of this waveguide were tested. This made it possible to produce a dual-frequency DFB CQL with a metal-metal waveguide emitting two wavelengths in the far infrared for the generation of THz by difference frequency. In this context, the non-linearity of this type of active region has been optimized. The extraction of the THz wave was also studied
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Mammez, Dominique. "Détection de molécules gazeuses d’intérêt atmosphérique par spectrométrie infrarouge avec laser à cascade quantique largement accordable". Thesis, Reims, 2013. http://www.theses.fr/2013REIMS003/document.
Streszczenie:
Alors que l'étude de l'atmosphère a une importance croissante pour répondre aux problématiques environnementales, les exigences en terme de sources laser pour la spectrométrie de molécules complexes nécessitent de développer des sources largement accordables. Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit est centré sur la mise en œuvre de lasers à cascade quantique en cavité étendue (EC-QCL). Une partie de ce travail concerne la caractérisation d'une source EC-QCL commerciale ainsi que son application à la détection de gaz par spectrométrie photoacoustique. Des mesures ont été réalisées sur le dioxyde de carbone dans l'air expiré et sur le butane. La partie centrale de ce travail de thèse réside dans le développement de sources EC-QCL à partir de puces laser à cascade quantique développées par le III-V Lab. L'objectif est d'obtenir des sources largement accordables qui puissent être utilisées pour la détection de molécules complexes. Cela comprend la simulation, la conception et la mise en œuvre de systèmes en cavité étendue. Deux sources EC-QCL ont été réalisées. La première est une source impulsionnelle émettant autour de 4,5μm. La seconde émet autour de 7,5μm et fonctionne en continu à température ambiante. Ce laser a été utilisé pour réaliser des enregistrements sur l'acétone et le trichlorure de phosphoryleAs the study of the atmosphere is growing strongly in response to environmental issues, the needs in terms of laser sources for spectroscopy of complex molecules require the development of widely tunable sources. The PhD work presented in this manuscript is focused on the implementation of quantum cascade lasers in external cavity (EC-QCL). Part of this work deals with the characterization of a commercial EC-QCL source and its application to gas detection by photoacoustic spectrometry. Measurements were performed on carbon dioxide in exhaled air and butane. The central part of this thesis consists in the development of ECQCL sources based on quantum cascade laser chips from III-V Lab. The aim is to obtain widely tunable sources that can be used for the detection of complex molecules. This includes simulation, design and implementation of external cavity systems. Two EC-QCL sources were implemented. The first one is a pulsed laser emitting around 4,5μm. The second one emits around 7,5μm and is operated at room temperature in continuous wave mode. This laser was used to record the spectra of acetone and phosphoryl chloride
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Gilles, Clément. "Optique intégrée pour sources largement accordables moyen-infrarouge". Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017SACLS009/document.
Streszczenie:
Dans le moyen-infrarouge, les barrettes de lasers à cascade quantique sont d’un grand intérêt pour la réalisation de sources large bande intégrables dans les systèmes de spectroscopie laser. Une excellente finesse spectrale, la présence d’un seul mode spatial et une gamme d’accordabilité large sont ainsi rassemblées sur une seule puce, compacte et intrinsèquement stable. Afin de bénéficier de l’ensemble des longueurs d’onde sur une sortie unique, les défis majeurs résident dans l’association de technologies pour rassembler les différentes sorties en une seule via l’utilisation de circuits photoniques intégrés (CPI). Ce CPI peut être séparé en trois briques élémentaires : une filière de guidage passif, un combineur de longueurs d’onde et un coupleur actif/passif. Pour la mise-en-forme du faisceau, nous reportons la fabrication et la caractérisation de guides d’onde en InP/InGaAs/InP gravés profondément, avec des performances proches de l’état de l’art. Nous fabriquons et caractérisons des multiplexeurs basés sur des réseaux de diffraction intégrés, sur filière InP et SiGe. Un multiplexeur de 60-vers-1 voies couvrant la gamme de 7-8,5 µm est réalisé. Une méthode innovante mettant en œuvre des multiplexeurs inter-digités et fonctionnant sur trois ordres de diffraction est démontrée. Finalement, nous réalisons des barrettes de laser à cascade quantique sur InP et sur silicium. Un coupleur adiabatique est dimensionné, fabriqué et caractérisé pour associer efficacement les guides actifs et passifs. Des intégrations de types hétérogène et hybride sont envisagées, avec la première démonstration d’une source accordable utilisant une barrette de lasers et un multiplexeur InPIn the mid-infrared, arrays of distributed feedback quantum cascade lasers have been developed as a serious alternative to obtain extended wavelength operation range of laser-based gas sensing systems. Narrow-linewidth, single mode operation and wide tunability are then gathered together on a single chip with high compactness and intrinsic stability. In order to benefit from this extended wavelength range in a single output beam, the key challenge resides in the combination of different technologies to merge the output of different sources via the use of mid-IR photonic integrated circuits (PIC). The PIC can be split into three main blocks: the passive waveguide platform, the beam combiner and the active/passive coupler. For beam handling and guiding, we report fabrication and characterization of deeply etched InP/InGaAs/InP waveguides with state of the art performances. We fabricate and characterize multiplexers based on echelle and arrayed waveguide gratings on InP and SiGe platforms. A 60-to-1 spectral multiplexer operating in the 7-to-8.5 µm range is demonstrated. An advanced multiplexing scheme using interleaved and cross-order operations is also exposed. Finally, we realize quantum cascade laser arrays on InP and silicon. We design, fabricate and characterize an adiabatic coupler to efficiently and monolithically integrate active and passive waveguides. Heterogenous and hybrid integration are also considered with the demonstration of a tunable source using laser array and InP-based multiplexer
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Ferré, Simon. "Nouvelles architectures et optimisations pour la montée en puissance des lasers à cascade quantique moyen infrarouge". Thesis, Paris 6, 2016. http://www.theses.fr/2016PA066488/document.
Streszczenie:
Les lasers à cascade quantique (QCLs) sont des sources laser à semi-conducteurs permettant de fortes puissances optiques dans le moyen-infrarouge. Les applications visées sont la spectroscopie à distance et les contre-mesures optiques. Les performances des QCLs restent limitées par le transport électronique, le comportement optique et la dissipation de la charge thermique. Premièrement, cette thèse a permis une meilleure compréhension des éléments limitants les performances des QCLs. Les propriétés optiques et thermiques des matériaux qui constituent les QCLs ont été mesurées. En nous appuyant sur des simulations, nous avons montré l'impact de la géométrie du composant et de l'embase sur les performances. Deuxièmement, nous avons étudié des méthodes pour mettre en forme le faisceau afin d'augmenter la luminance du QCL. Nous avons ainsi montré que le couplage avec des fibres optiques ou l'utilisation de QCLs à section évasée permettent de réduire la divergence du QCL. De plus, nous avons obtenu de très fortes puissances crêtes et moyennes avec des lasers larges tout en conservant un bon champ lointain. Enfin, nous avons montré qu'il est possible de mettre en forme le faisceau émis par des QCLs larges en réinjectant le signal optique. Dernièrement, nous avons proposé des nouvelles méthodes pour réaliser des réseaux de QCLs couplés monolithiquement. En plus de résultats expérimentaux sur des réseaux de QCLs uniformes, nous avons montré les limites des réseaux non-uniformes. Enfin, nous avons breveté une solution basée sur des antiguides en silicium amorphe pour coupler un grand nombre de QCLsQuantum cascade lasers (QCLs) are semiconductor laser sources able to produce high output power in mid-infrared range. Target applications are remote spectroscopy and optical counter-measure. Their performances are still limited by electronic transport, optical behavior and thermal load dissipation. First, this work has lead to a better comprehension of the features limiting the QCLs performances. Optical and thermal properties of the materials the QCLs are made of have been measured. By simulation, we have shown the impact of the device and submount's geometries on the performances. Second, we have studied some methods to shape the beam in order to increase the luminance of the QCL. We have then demonstrated that coupling with optic fibers, or using tapered QCLs reduces the divergence of the QCL. In addition, we have obtained very high peak and average powers with broad area (BA) QCLs, while keeping a good far-field quality. Finally, we have shown that it is possible to shape the beam emitted by BA QCLs by optical feedback. Lastly, we have proposed new methods to conceive monolithically phase-locked QCL arrays. On top of experimental results on uniform QCL arrays, we have shown the limits of non-uniform arrays. Finally, we have patented a solution based on amorphous silicon antiguides to phase-lock a large number of QCLs
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Petitjean, Yoann. "Modélisation dynamique et caractérisation de lasers à cascade quantique Térahertz refroidis à l'hélium liquide". Toulouse, ISAE, 2010. http://www.theses.fr/2010ESAE0020.
Streszczenie:
La région du spectre électromagnétique comprise entre 300 GHz et 10 THz a longtemps été surnommée « gap Térahertz ». En effet, les sources et détecteurs dans cette gamme de fréquences étaient éparses, peu performants, coûteux et/ou encombrants jusqu'à l’invention du laser à cascade quantique (QCL pour Quantum Cascade laser). De nombreuses équipes de recherche se concentrent sur l’amélioration des performances des QCLs, notamment l'augmentation de la température de fonctionnement maximale car cette source ouvre la voie vers de nouvelles applications comme les oscillateurs locaux à très haute fréquence, l’imagerie médicale, sécuritaire ou encore les télécommunications sans fil à haut débit. Toutes ces applications requièrent une connaissance poussée des performances des QCLs modélisés et caractérisés au sein de cette thèse. Le premier chapitre expose les propriétés et les applications des ondes Térahertz évoquées précédemment ainsi qu'un état de l’art des QCLs. Le second chapitre porte sur la modélisation des QCLs. Un premier modèle est exploité afin de dégager les caractéristiques statiques et dynamiques des QCLs. Un autre modèle prenant en compte la structure en cascade des QCL est ensuite introduit, menant à une nouvelle fonction de transfert, un calcul du délai à l’allumage et une étude du bruit d’intensité relatif. Le troisième et dernier chapitre traite de la partie expérimentale de cette thèse avec la particularité et les difficultés de mesures dans le domaine Térahertz, la caractérisation statique et les moyens de caractérisation dynamique des QCLs, accompagnée de la présentation d’un testeur sous pointe cryogénique opto-micro-onde conçu dans le cadre de cette thèse.
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Sow, Papa lat tabara. "Développement d'un spectromètre laser à cascade quantique pour des applications en spectroscopie de haute résolution et en métrologie des fréquences". Thesis, Sorbonne Paris Cité, 2015. http://www.theses.fr/2015USPCD011/document.
Streszczenie:
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 saturéeThis 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
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Ouerghemmi, Ezzeddine. "Étude physique des limites en puissance des lasers à cascade quantique". Phd thesis, Ecole Polytechnique X, 2011. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00605931.
Streszczenie:
Cette thèse concerne l'étude théorique et expérimentale des limitations de la puissance de sortie des lasers à cascade quantique (LCQ). Nous y exposons une modélisation globale de leurs propriétés électro-optiques. Le fonctionnement du laser est décrit en incluant la structure électronique, les mécanismes de diffusion responsables des transitions non radiatives des électrons et le couplage électron- photon de la cavité. Ce modèle nous a permis de reproduire avec succès l'ensemble des caractéristiques (courant et puissance optique en fonction de la tension appliquée) d'un LCQ sur un large domaine de température de fonctionnement. Dans un premier temps, ce modèle a été utilisé pour le calcul de la température électronique dans les LCQ. Il en ressort que la diffusion par des phonons-LO est le seul mécanisme avec lequel le gaz d'électrons peut transférer son énergie vers le réseau. Les mécanismes élastiques de diffusion sont des sources d'énergie pour le gaz d'électrons. Deux paramètres physiques permettent de décrire complètement le comportement de la température électronique dans le composant : la résistance thermique électronique de l'hétérostructure et le coefficient de couplage courant température électronique. Ensuite, l'étude du couplage des électrons avec les photons de la cavité montre que ce couplage peut modifier notablement la distribution électronique sur les niveaux énergétiques. Le gain de la zone active du laser diminue avec la densité de photons. Cet effet appelé saturation de gain joue un rôle important sur les performances des LCQ. La minimisation de cet effet peut augmenter la puissance maximale de sortie du laser d'un facteur deux. Cette étude nous a permis de proposer de nouveaux dessins de zone active ayant des performances améliorées. La fabrication de certaines de ces structures a permis de valider l'approche que nous avons suivie pour améliorer les performances de ce type de laser.
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Ouerghemmi, Ezzedine. "Étude physique des limites en puissance des lasers à cascade quantique". Palaiseau, Ecole polytechnique, 2011. http://pastel.archives-ouvertes.fr/docs/00/60/59/31/PDF/manuscrit_ezzeddine_Ouerghemmi.pdf.
Streszczenie:
Cette thèse concerne l'étude théorique et expérimentale des limitations de la puissance de sortie des lasers à cascade quantique (LCQ). Nous y exposons une modélisation globale de leurs propriétés électro-optiques. Le fonctionnement du laser est décrit en incluant la structure électronique, les mécanismes de diffusion responsables des transitions non radiatives des électrons et le couplage électron- photon de la cavité. Ce modèle nous a permis de reproduire avec succès l'ensemble des caractéristiques (courant et puissance optique en fonction de la tension appliquée) d'un LCQ sur un large domaine de température de fonctionnement. Dans un premier temps, ce modèle a été utilisé pour le calcul de la température électronique dans les LCQ. Il en ressort que la diffusion par des phonons-LO est le seul mécanisme avec lequel le gaz d'électrons peut transférer son énergie vers le réseau. Les mécanismes élastiques de diffusion sont des sources d'énergie pour le gaz d'électrons. Deux paramètres physiques permettent de décrire complètement le comportement de la température électronique dans le composant : la résistance thermique électronique de l'hétérostructure et le coefficient de couplage courant température électronique. Ensuite, l'étude du couplage des électrons avec les photons de la cavité montre que ce couplage peut modifier notablement la distribution électronique sur les niveaux énergétiques. Le gain de la zone active du laser diminue avec la densité de photons. Cet effet appelé saturation de gain joue un rôle important sur les performances des LCQ. La minimisation de cet effet peut augmenter la puissance maximale de sortie du laser d'un facteur deux. Cette étude nous a permis de proposer de nouveaux dessins de zone active ayant des performances améliorées. La fabrication de certaines de ces structures a permis de valider l'approche que nous avons suivie pour améliorer les performances de ce type de laserThis thesis work is devoted to the theoretical and experimental study of the limiting factors of quantum cascade lasers (QCL) output power. It exposes a global modeling of their electro-optical properties. Laser operation is described in particular by including the electronic structure, non-radiative electron scattering mechanisms and the electron-photon coupling along the laser cavity. This model allowed us to successfully reproduce all the characteristics (current and optical power as a function of the applied voltage) of a QCL over the whole range of operating temperatures. This model was used to calculate the electron temperature in QCL. It showed that scattering by LO phonons is the only mechanism by which the gas of electron can transfer energy towards the lattice. Elastic scattering mechanisms are sources of energy for the electron gas. Two physical parameters allow to fully describe the electron temperature in the device: the electronic thermal resistance of the heterostructure and the temperature current coupling factor. Taking into account the electron-photon coupling shows that it may influence the electronic distribution over energy levels. Therefore, the gain of the active zone of the laser is reduced in the presence of this coupling. This effect, called gain saturation, plays an important role on the output performances of QCL. Minimizing this effect can increase the maximum power output of the laser by a factor of two. This study allowed us to propose new design rules of active regions to improve the QCL output performances. The experimental characterization of some of these structures has validated the approach we have followed towards performances improvement
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Destic, Fabien. "Imagerie térahertz utilisant des lasers à cascade quantique : application au contrôle non destructif de matériaux". Thesis, Toulouse, ISAE, 2014. http://www.theses.fr/2014ESAE0019/document.
Streszczenie:
Les Lasers à Cascade Quantique (QCL) sont de "nouvelles" sources THz dont les progrès en termes de puissance, température de fonctionnement et qualité de faisceau sont remarquables. Les QCL sont utilisés dans des dispositifs d'imagerie THz continue pour le Contrôle Non Destructif de matériaux. Une première application de CND sur des matériaux composites permet de mettre en évidence de manière qualitative les défauts d'imprégnation des fibres par la résine ou les dommages causés par un impact. Des images à 3,8 THz, en transmission et ré flexion, ont pu être comparées avec une technique de CND par ultrasons. Une seconde application quantitative porte sur la concentration d'eau dans deux matériaux polymères à tendance hydrophobe : le polystyrène et le polypropylène. L'établissement d'une relation entre la transmittance de l'échantillon et sa prise de masse d'eau permet d'établir une cartographie quantifiée de la concentration d'eau. Ces cartographies sont nécessaires à la connaissance du processus de diffusion de l'eau dans les matériaux polymèresQuantum Cascade Lasers (QCL) are "new" THz sources that have enjoyed remarkable progress in terms of power, operating temperature and beam quality. QCLs are used in continuous wave THz imaging setups applied to Non Destructive Testing of materials. A first qualitative application of NDT allows us to highlight defects in the fibers impregnation by resin or damages caused by an impact on composite materials. Transmission and reflection images at 3.8 THz are compared with a NDT ultrasonic technique. A second quantitative application relates to the water concentration in two hydrophobic polymeric materials: polystyrene and polypropylene. Establishing a relationship between the transmittance of the sample and mass water content enables us to draw up a quantified mapping of the latter. These maps are necessary for the understanding of the water diffusion process in polymeric materials
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Dross, Frédéric. "Sources laser à cascade bipolaire pour la modulation directe". Paris, ENST, 2004. http://www.theses.fr/2004ENST0017.
Streszczenie:
Ce travail porte sur l'amélioration des caractéristiques des liaisons optique-hyperfréquence à modulation directe par l'utilisation de sources laser à cascade bipolaire. Une étude théorique et expérimentale montre qu'il est possible d'améliorer d'un facteur n2 le gain hyperfréquence de la liaison par l'utilisation de n lasers discrets. De plus, nous montrons une amélioration de 3 dB du bruit d'intensité relative d'une source composée de deux lasers discrets. Pour pallier la limitation en bande passante de l'architecture discrète, nous étudions, à l'aide d'un modèle basé sur les équations d'évolution, et à l'aide d'un modèle auto-consistant de transport électronique, l'influence de la mise en cascade monolithique de plusieurs zones actives intégrées dans une structure monomode transverse. Puis nous utilisons les modèles développés pour concevoir des composants et présentons le résultat de leur caractérisation. Du fait de la faible conductivité de la jonction tunnel, on observe un étalement assez important des lignes de courants. De plus, la distribution des porteurs dans la cavité chaude augmente fortement les pertes internes. Malgré ces limitations, nous obtenons un rendement quantique interne supérieur à 100% ainsi qu'une amélioration du rendement différentiel externe sur un laser à cascade bipolaire monomode transverseWe report on the improvement of the opto-RF link characteristics by the use of directly-modulated bipolar cascade laser sources. A theoretical as well as experimental study enables to improve by a factor n2 the RF link gain with the use of n discrete lasers. In addition, we improve by 3 dB the relative intensity noise of a laser source composed of two discrete lasers. To circumvent bandwidth limitations, we study, through the development of a rate equation model, and through the improvement of a self-consistent transport model, the influence of monolithically cascading several active junctions into a single-transverse-mode bipolar cascade structure. Eventually, the developed models are used to design the component and we present some characterizations. Due to the low tunnel junction conductivity, the device exhibits an important current spreading. In addition, the carrier distribution in the biased cavity increases the optical internal loss. Despite these limitations, we obtain a quantum internal differential efficiency greater than 100% and a single-transverse-mode bipolar cascade laser with enhanced external differential efficiency
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Maysonnave, Jean. "Dynamique ultrarapide de lasers à cascade quantique Terahertz - le graphène comme émetteur Terahertz". Thesis, Paris 6, 2014. http://www.theses.fr/2014PA066360/document.
Streszczenie:
La gamme des ondes terahertz (THz) se situe à l'interface des domaines électronique et optique. Malgré un potentiel d'applications élevé, elle souffre d'un manque de dispositifs performants. Dans ce cadre, cette thèse se concentre sur l'étude fondamentale et la réalisation de nouvelles fonctionnalités associées à différentes sources THz, en utilisant la spectroscopie THz dans le domaine temporel (TDS). Cet outil puissant permet de mesurer le profil temporel d'un champ électrique THz et est utilisé pour explorer l'émission THz de lasers à cascade quantique (LCQ) et de graphène.Dans une première partie, la réponse ultrarapide de LCQs est étudiée. Un contrôle de la phase du champ électrique de LCQs THz via la technique "d'injection seeding" est réalisé puis optimisé. Il nous permet de mesurer le profil temporel de l'émission laser. A l'appui de cette expérience et de simulations, une description quantitative de la dynamique du gain est faite. Ces informations sont critiques pour la production d'impulsions courtes. Une modulation rapide du gain de LCQ est ensuite réalisée et conduit à la génération d'impulsions courtes (durée ~ 15 ps) en régime de blocage de modes. Ces études permettent notamment d'envisager les LCQs comme sources puissantes pour la TDS. Dans une seconde partie, nous montrons que le graphène peut émettre un rayonnement THz sous excitation optique par un effet non linéaire d'ordre 2. Cette émission résulte d'un transfert de quantité de mouvement des photons aux électrons du graphène ("photon drag"). Elle permet ainsi d'explorer des propriétés subtiles du graphène, telles que de très faibles différences de comportement entre les électrons et trous photogénérésThe terahertz (THz) range is a region of the electromagnetic spectrum which lies at the limit between the electronic and optical domain. Currently, THz applications suffer from the lack of sources and detectors. In this context, this thesis focuses on the fundamental study and the development of new functionalities of different THz sources, usingTHz time-domain spectroscopy (TDS) as a base. This powerful tool enables to acquire the temporal profile of a THz electric field and is used to explore the THz emission properties of quantum cascade lasers (QCLs) and graphene.In the first part, the ultrafast response of QCLs is investigated. A phase control of the electric field of THz QCLs via injection seeding is realised and optimised. This enables the measurement of the amplitude and temporal profile of the laser emission. Throughthese experiments and simulations, a quantitative description of the gain dynamics can be accessed. This information is critical for modelocking. Finally, a fast modulation of the gain of QCLs is realized and leads to short pulses generation (15 ps) in a modelocked regime. These studies open the way for using QCLs as powerful sources in TDS.In the second part, THz radiation generation from graphene under optical excitation is demonstrated by a second order non-linear process. The THz emission results from themomentum transfer from the photons to the electrons of graphene (photon drag). As well as broadband THz generation, novel bandstructure properties of graphene can be explored such as the different dynamics between the photogenerated electrons and holes
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Ndebeka-Bandou, Camille. "Etude théorique de l'absorption par porteurs libres dans les structures à cascade quantique". Thesis, Paris 6, 2014. http://www.theses.fr/2014PA066185/document.
Streszczenie:
La demande croissante de dispositifs photoniques dans la gamme térahertz (THz) a conduit au développement des Lasers à Cascade Quantique (LCQ). Réalisés en 1994 dans l'infrarouge moyen, ces lasers unipolaires à semiconducteurs comptent désormais parmi les sources les plus prometteuses pour l'émission THz. Néanmoins, de nombreux phénomènes de pertes optiques limitent leurs performances et l'optimisation de ces dispositifs demeure d'actualité. Parmi les sources de pertes, l'absorption par porteurs libres, qui résulte de transitions intra- et inter-sousbande obliques activées par toute source de désordre brisant l'invariance par translation dans le plan des couches, doit être précisément modélisée. Ce processus est bien documenté pour les matériaux massifs où le modèle semi-classique de Drude peut être appliqué. En revanche, pour les LCQ, celui-ci prédit des coefficients d'absorption supérieurs aux réels gains laser. Ce travail de thèse expose un modèle quantique de l'absorption par porteurs libres dans les structures à cascade quantique suivant deux approches théoriques différentes : un développement perturbatif au premier ordre du potentiel de désordre et une diagonalisation numérique du Hamiltonien du système désordonné. Ces travaux montrent que l'absorption par porteurs libres est très faible et diffère radicalement du résultat semi-classique. Ils font également l'analyse des différentes contributions au spectre d'absorption ainsi que la possibilité d'ajuster la forme et la largeur de raie par ingénierie de dopage. D'importants effets de localisation spatiale des états électroniques par le désordre et leur influence sur les taux de diffusion ont également été étudiésThe demand to produce reliable THz detectors and emitters has lead to a signicant improvement of the Quantum Cascade Lasers (QCLs). First demonstrated in 1994 in the mid-infrared range, these unipolar semiconductor lasers are one of the most promising photonic sources for THz emission. Nevertheless, various optical loss phenomena limit their performances and the improvement of these devices is intensively researched. Among the possible loss sources, the Free Carrier Absorption (FCA), that arises from intra- and inter-subband oblique transitions activated by any disorder source destroying the translational invariance in the layer plane, has to be accurately modeled. FCA is well documented for bulk materials where the semiclassical Drude model can be used. For QCLs, this model predicts FCA coefficients that are comparable or larger than the actual QCL gains. This work presents a quantum modeling of FCA in quantum cascade structures following two theoretical approaches : a perturbative expansion at the first order in the disorder potential and a numerical diagonalization of Hamiltonian in presence of disorder. These calculations show that FCA is very small in QCLs and radically differs from the semiclassical Drude result. Moreover, they point out the different contributions to the absorption spectrum and the possibility of ajusting the absorption linewidth and lineshape by dopant engineering. Important disorder-induced localization effects have been identified as well as their non negligible influence on the electronic scattering rates
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Joint, François. "Ultra compact ans sensitive Terahertz Heterodyne receiver based on quantum cascade laser and hot electron bolometer". Thesis, Paris Sciences et Lettres (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018PSLEO025/document.
Streszczenie:
Nous avons développé un récepteur hétérodyne terahertz (THz) compact et ultra-sensible à base de laser à cascade quantique (QCL) comme oscillateur local et de bolomètre à électron chaud (HEB) comme mélangeur. Le récepteur est basé sur un nouveau concept pour le couplage quasi-optique entre l'oscillateur local et le mélangeur ce qui a permis de ne pas utiliser de lame semi-réfléchissante pour la superposition du signal provenant du QCL et du signal à détecter. Le mélangeur utilisé est un HEB en nitrure de niobium avec une antenne planaire formée d’une double hélice log-spiral. Le HEB est monté sur la partie plane d’une lentille convexe en silicium. L’oscillateur local est un QCL que nous avons développé avec un système de contre-réaction répartie du troisième ordre avec une faible dissipation thermique, un faisceau peu divergent et un fonctionnement mono-mode à la fréquence cible de 2.7 THz. Le couplage entre l’oscillateur local et le mélangeur HEB a également été amélioré en couplant le QCL avec une fibre creuse en diélectrique ce qui a permis d’améliorer la directivité du faisceau laser à 55 dBi. Grâce aux précédents résultats, nous avons obtenu un récepteur THz hétérodyne compact qui présente une sensibilité proche de l’état de l’art à 2.7 THzWe demonstrate an ultra-compact Terahertz (THz) heterodyne detec- tion system based on a quantum cas- cade laser (QCL) as local oscillator and a hot electron bolometer (HEB) for the mixing. It relies on a new opti- cal coupling scheme where the local oscillator signal is coupled through the air side of the planar HEB an- tenna, while the signal to be de- tected is coupled to the HEB through the lens. This technique allows us to suppress the beam splitter usu- ally employed for heterodyne mea- surements. The mixer is a Niobium Nitride HEB with a log-spiral planar antenna on silicon and mounted on the back of a plano-convex silicon lens. We have developed a low power consumption and low beam di- vergence 3rd-order distributed feed- back laser with single mode emis- sion at the target frequency of 2.7 THz to be used as local oscillator for the heterodyne receiver. The cou- pling between the QC laser and the the HEB has been further optimized, using a dielectric hollow waveguide that reliably increases the laser beam directivity up to 55 dBi. Upon the high beam quality, sufficient output power in a single mode at the tar- geted frequency and low power dissi- pation of our local oscillator, we have build an ultra compact THz hetero- dyne receiver with sensitivity close to the state of the art at 2.7 THz
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Maysonnave, Jean. "Dynamique ultrarapide de lasers à cascade quantique Terahertz - le graphène comme émetteur Terahertz". Electronic Thesis or Diss., Paris 6, 2014. http://www.theses.fr/2014PA066360.
Streszczenie:
La gamme des ondes terahertz (THz) se situe à l'interface des domaines électronique et optique. Malgré un potentiel d'applications élevé, elle souffre d'un manque de dispositifs performants. Dans ce cadre, cette thèse se concentre sur l'étude fondamentale et la réalisation de nouvelles fonctionnalités associées à différentes sources THz, en utilisant la spectroscopie THz dans le domaine temporel (TDS). Cet outil puissant permet de mesurer le profil temporel d'un champ électrique THz et est utilisé pour explorer l'émission THz de lasers à cascade quantique (LCQ) et de graphène.Dans une première partie, la réponse ultrarapide de LCQs est étudiée. Un contrôle de la phase du champ électrique de LCQs THz via la technique "d'injection seeding" est réalisé puis optimisé. Il nous permet de mesurer le profil temporel de l'émission laser. A l'appui de cette expérience et de simulations, une description quantitative de la dynamique du gain est faite. Ces informations sont critiques pour la production d'impulsions courtes. Une modulation rapide du gain de LCQ est ensuite réalisée et conduit à la génération d'impulsions courtes (durée ~ 15 ps) en régime de blocage de modes. Ces études permettent notamment d'envisager les LCQs comme sources puissantes pour la TDS. Dans une seconde partie, nous montrons que le graphène peut émettre un rayonnement THz sous excitation optique par un effet non linéaire d'ordre 2. Cette émission résulte d'un transfert de quantité de mouvement des photons aux électrons du graphène ("photon drag"). Elle permet ainsi d'explorer des propriétés subtiles du graphène, telles que de très faibles différences de comportement entre les électrons et trous photogénérésThe terahertz (THz) range is a region of the electromagnetic spectrum which lies at the limit between the electronic and optical domain. Currently, THz applications suffer from the lack of sources and detectors. In this context, this thesis focuses on the fundamental study and the development of new functionalities of different THz sources, usingTHz time-domain spectroscopy (TDS) as a base. This powerful tool enables to acquire the temporal profile of a THz electric field and is used to explore the THz emission properties of quantum cascade lasers (QCLs) and graphene.In the first part, the ultrafast response of QCLs is investigated. A phase control of the electric field of THz QCLs via injection seeding is realised and optimised. This enables the measurement of the amplitude and temporal profile of the laser emission. Throughthese experiments and simulations, a quantitative description of the gain dynamics can be accessed. This information is critical for modelocking. Finally, a fast modulation of the gain of QCLs is realized and leads to short pulses generation (15 ps) in a modelocked regime. These studies open the way for using QCLs as powerful sources in TDS.In the second part, THz radiation generation from graphene under optical excitation is demonstrated by a second order non-linear process. The THz emission results from themomentum transfer from the photons to the electrons of graphene (photon drag). As well as broadband THz generation, novel bandstructure properties of graphene can be explored such as the different dynamics between the photogenerated electrons and holes
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Ndebeka-Bandou, Camille. "Etude théorique de l'absorption par porteurs libres dans les structures à cascade quantique". Electronic Thesis or Diss., Paris 6, 2014. http://www.theses.fr/2014PA066185.
Streszczenie:
La demande croissante de dispositifs photoniques dans la gamme térahertz (THz) a conduit au développement des Lasers à Cascade Quantique (LCQ). Réalisés en 1994 dans l'infrarouge moyen, ces lasers unipolaires à semiconducteurs comptent désormais parmi les sources les plus prometteuses pour l'émission THz. Néanmoins, de nombreux phénomènes de pertes optiques limitent leurs performances et l'optimisation de ces dispositifs demeure d'actualité. Parmi les sources de pertes, l'absorption par porteurs libres, qui résulte de transitions intra- et inter-sousbande obliques activées par toute source de désordre brisant l'invariance par translation dans le plan des couches, doit être précisément modélisée. Ce processus est bien documenté pour les matériaux massifs où le modèle semi-classique de Drude peut être appliqué. En revanche, pour les LCQ, celui-ci prédit des coefficients d'absorption supérieurs aux réels gains laser. Ce travail de thèse expose un modèle quantique de l'absorption par porteurs libres dans les structures à cascade quantique suivant deux approches théoriques différentes : un développement perturbatif au premier ordre du potentiel de désordre et une diagonalisation numérique du Hamiltonien du système désordonné. Ces travaux montrent que l'absorption par porteurs libres est très faible et diffère radicalement du résultat semi-classique. Ils font également l'analyse des différentes contributions au spectre d'absorption ainsi que la possibilité d'ajuster la forme et la largeur de raie par ingénierie de dopage. D'importants effets de localisation spatiale des états électroniques par le désordre et leur influence sur les taux de diffusion ont également été étudiésThe demand to produce reliable THz detectors and emitters has lead to a signicant improvement of the Quantum Cascade Lasers (QCLs). First demonstrated in 1994 in the mid-infrared range, these unipolar semiconductor lasers are one of the most promising photonic sources for THz emission. Nevertheless, various optical loss phenomena limit their performances and the improvement of these devices is intensively researched. Among the possible loss sources, the Free Carrier Absorption (FCA), that arises from intra- and inter-subband oblique transitions activated by any disorder source destroying the translational invariance in the layer plane, has to be accurately modeled. FCA is well documented for bulk materials where the semiclassical Drude model can be used. For QCLs, this model predicts FCA coefficients that are comparable or larger than the actual QCL gains. This work presents a quantum modeling of FCA in quantum cascade structures following two theoretical approaches : a perturbative expansion at the first order in the disorder potential and a numerical diagonalization of Hamiltonian in presence of disorder. These calculations show that FCA is very small in QCLs and radically differs from the semiclassical Drude result. Moreover, they point out the different contributions to the absorption spectrum and the possibility of ajusting the absorption linewidth and lineshape by dopant engineering. Important disorder-induced localization effects have been identified as well as their non negligible influence on the electronic scattering rates
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Mappe, fogaing Irene. "Mesures par spectrométrie laser des flux de N2O et CH4 produits par les sols agricoles et viticoles". Thesis, Reims, 2013. http://www.theses.fr/2013REIMS017/document.
Streszczenie:
Depuis l'ère industrielle, les émissions des gaz à effet de serre, responsables du réchauffement climatique majoritairement d'origine anthropique, ne cessent d'augmenter. Parmi ces gaz, les principaux concernés sont le dioxyde de carbone (CO2), le protoxyde d'azote (N2O) et le méthane (CH4).Dans le cadre de ma thèse, nous allons nous intéresser majoritairement au N2O et aussi au CH4, qui malgré leurs plus faibles quantités dans l'atmosphère, ils ont un potentiel de réchauffement global largement supérieur à celui du CO2.Ces rejets gazeux anthropiques suffisent à provoquer des modifications climatiques à court ou moyen terme. Il est donc nécessaire de comprendre les phénomènes liés à ces émissions. De nombreux réseaux européens tels que Euroflux, CarboEuroflux, NitroEurope, CarboEurope, GHG-Europe et ICOS ont activement contribué à la quantification et la compréhension des émissions des gaz à effet de serre. Il subsiste cependant d'importantes incertitudes sur les bilans inter annuels de ces émissions. Afin de mieux assimiler la variabilité temporelle des émissions de N2O et CH4, il est indispensable de les mesurer continuellement dans le temps en fonction des écosystèmes, des types de sol, et de disposer d'instruments de mesure performants. Le GSMA grâce à ses compétences en instrumentation, a développé un spectromètre utilisant un laser à cascade quantique, QCLAS (Quantum Cascade Laser Absorption Spectrometer), dédié à la mesure in situ de flux de gaz produits par les sols. Comme dans toute expérimentation, les mesures faites par QCLAS peuvent être contaminées de bruits. Ces bruits peuvent entraîner des biais sur les valeurs de flux calculés. C'est la raison pour laquelle on s'intéressera aux méthodes d'analyses des signaux telles que les transformées en ondelettes, la décomposition en valeurs singulières, dont l'utilisation aura pour objectif d'extraire l'information utile des signaux, et permettra d'améliorer significativement le rapport signal à bruit ainsi que la dispersion des mesures. Cette thèse est organisée en trois principales parties : la première est consacrée dans un premier temps aux techniques usuelles de mesure de gaz, où nous introduirons l'instrument QCLAS. On verra ensuite trois techniques usuelles de mesure de flux à savoir : la technique des enceintes closes, l'Eddy corrélation, et le relaxed Eddy accumulation. La seconde partie portera sur les différentes procédures et méthodes de traitement pour l'optimisation de la mesure expérimentale. La dernière partie portera sur les différentes campagnes de mesures réalisées avec QCLAS. Ces applications montreront la robustesse de QCLAS ainsi que son aptitude à effectuer des mesures de terrainSince the industrial revolution, emissions of greenhouse gases (GHG) responsible for global warming, mainly anthropogenic, continue to increase. Among these gases, the main concerned are carbon dioxide (CO2 ), nitrous oxide (N2O ) and methane (CH4 ).In my thesis, we will focus mainly on N2O and CH4 , which despite their smaller quantities in the atmosphere, have a global warming potential higher than the CO2. These anthropogenic gas emissions are sufficient to cause climatic change in the short or medium term. It is therefore necessary to understand the phenomena linked to these emissions.Many European networks such as Euroflux, CarboEuroflux, NitroEurope, CarboEurope GHG-Europe and ICOS have actively contributed to the understanding and quantification of greenhouse gases emissions. However it remains considerable uncertainty about the inter-annual balance sheets of these emissions. To better assimilate the temporal variability of N2O and CH4 emissions, it is necessary to measure continuously over time in terms of ecosystems, soil types, and to have performance measurement tools. The GSMA with its expertise in instrumentation, has developed a spectrometer using a quantum cascade laser, QCLAS (Quantum Cascade Laser Absorption Spectrometer), designed to measure in situ gas flow produced by the soil. As in any experiment, QCLAS measurements may be contaminated by noise. These noises can cause biases in fluxes determination. This is why we will focus on signal proccessing methods such as wavelet transform, singular value decomposition, with the purpose of extracting useful signal informations and significantly improving the signal to noise ratio and the dispersion of measurements. This thesis is organized in three main parts: The first part is devoted first to conventional techniques for gas measurements, where we will introduce the instrument QCLAS. Then, we will examine three usual techniques of flow measurement namely: the technique of closed chambers, Eddy correlation and relaxed Eddy accumulation. The second part will focus on the different procedures and treatment methods to optimize experimental measurements. The last part will focus on the various measurements campaigns made with QCLAS. These applications demonstrate the robustness of QCLAS as well as its ability to perform field measurements
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Oustinov, Dimitri. "Etude de lasers à cascade quantique par spectroscopie térahertz dans le domaine temporel". Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00601157.
Streszczenie:
Ce travail présente une étude de lasers à cascade quantique à l'aide de la spectroscopie THz dans le domaine temporel. Cette technique expérimentale consiste en la mesure de champs électriques THz transmis par un échantillon, permettant d'étudier des effets à la fois statiques et dynamiques dans les semiconducteurs. Les lasers à cascade quantique THz sont des structures multipuits considérées comme des dispositifs prometteurs pour combler le manque de sources dans l'infrarouge lointain. Dans une première étude, statique, nous avons mesuré le spectre du gain de différents échantillons et avons pu identifier les transitions électroniques intersousbandes responsables du gain et des pertes. Nous avons aussi constaté un rétrécissement du spectre du gain dans ces lasers dont nous expliquons l'origine. Dans une seconde étude, dynamique, nous avons effectué une commutation utra-rapide du gain dans un laser à cascade quantique afin d'exploiter son régime transitoire pour amplifier une onde THz. Le laser présente alors un gain élevé sans être limité aux pertes totales au-dessus du seuil. Finalement, une troisième étude dynamique nous permet de mesurer l'émission cohérente d'un laser THz par spectroscopie dans le domaine temporel. Un contrôle électrique du déclenchement d'un laser au-dessus du seuil, et un amorçage de l'émission par une impulsion THz à spectre large nous permet de contrôler la phase du champ électrique émis par le laser.
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Renaudat, Saint-Jean Margaux. "Laser à cascade quantique dans un guide micro-onde pour la réalisation d'un peigne de fréquence". Sorbonne Paris Cité, 2015. http://www.theses.fr/2015USPCC094.
Streszczenie:
Le laser à cascade quantique (LCQ) est un dispositif compact unipolaire qui repose sur des transitions optiques entre les états quantifiés de la bande de conduction de puits quantiques. Sa longueur d'onde d'émission, facilement ajustable par une ingénierie de bandes, peut couvrir toute la gamme du moyen infrarouge. Les travaux réalisés pendant cette thèse portent sur la conception de nouvelles géométries de cavité afin de réaliser un peigne de fréquence. La majeure partie du travail de cette thèse a été d'améliorer la stabilisation et le contrôle de l'espacement entre les modes optiques dans la cavité Fabry-Perot d'un LCQ émettant à 9µm. En combinant les technologies des micro-ondes et des semiconducteurs, nous démontrons la génération d'un peigne de fréquence grâce à l'intégration d'une ligne micro-ruban (MR) dans une cavité d'un LCQ. Une étude comparative a été réalisée entre cette nouvelle géométrie et une géométrie standard. La stabilité de l'espacement entre les modes a été caractérisée en mesurant la composante hyperfréquence du signal optique à la fréquence d'aller-retour (AR) des photons. La largeur à mi-hauteur de ce signal est dix-sept fois plus faible que celle mesurée pour un LCQ standard pour une puissance optique de sortie similaire, preuve d'une meilleure stabilité dans la cavité. Grâce à l'injection d'un signal hyperfréquence stable à cette fréquence d'AR, nous contrôlons et stabilisons le peigne de fréquence sur une plage de l'ordre du MHz avec une puissance injectée de 10 mW. Les réponses à une modulation directe des dispositifs ont également été étudiées : la bande passante du laser MR est trois fois supérieure à celle d'un laser à standard à 10 GHzQuantum cascade lasers (QCLs) are unipolar compact devices based on optical transitions in quantum wells between the quantized states of the conduction band. Their emission wavelength, easily tailored thanks to quantum engineering, can cover the entire range of the mid-infrared spectrum. The work presented in this thesis deals with the design and the study of new cavity architectures for the realization of a frequency comb. Aim of the work is to improve the stability and the control of the intermode frequency spacing of Fabry-Perot QCL emitting at 9 ktm. By merging microwave and semiconductor laser technologies, we demonstrate the generation of a stable frequency comb, integrating a microstrip line in the QCL cavity. A comparative study of the new architecture and standard design has been carried out. The stability of the spacing between the modes has been characterized by measuring the microwave component of the optical signal at the round-trip frequency of photons in the cavity (13. 7 GHz). Full width at half maximum of this signal is seventeen times lower than that measured for a standard QCL with similar optical power, evidence of improved stability in the optical cavity. Through the injection of a stable microwave signal at the round-trip frequency, we control and stabilize the frequency comb over a range of the order of MHz with an injected power of 10 mW. The performance of direct modulation of the devices has been also investigated : the measured bandpass of the microstrip laser is three times higher than the standard laser at 10 GHz
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Péré-Laperne, Nicolas. "Etude des structures à cascade quantique sous champ magnétique - Application aux lasers THz et aux détecteurs infrarouges". Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2008. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00414749.
Streszczenie:
Le travail de thèse a porté de façon générale sur l'étude des transitions dans les hétérostructures à cascade quantique. Deux types de structures ont été étudiés, le laser émettant dans la gamme des THz et le détecteur moyen infrarouge. Cette étude a été menée en champ magnétique appliqué perpendiculairement ou parallèlement aux couches des hétérostructures. Dans la première configuration, nous avons observé des oscillations de courant dans les deux types de structures associées dans le cas des lasers à des oscillations de puissance lumineuse ainsi que de courant seuil. Ces oscillations sont la signature de différents processus de relaxation élastiques et inélastiques. Par la quantification de Landau, les temps de vie des électrons sur les niveaux mis en jeu dans les transitions sont modifiés menant à une modulation du courant et de la puissance laser en fonction du champ magnétique. Un modèle a été développé pour en comprendre l'origine. Ce faisant les processus dominants limitant le fonctionnement des lasers ont été mis à jour. Dans le cas des détecteurs, le champ magnétique nous a permis d'étudier toutes les origines du courant d'obscurité et de mettre en exergue les facteurs limitant leur fonctionnement. Un modèle décrivant le transport dans ces structures a été élaboré à partir de cette étude. Enfin, dans la seconde configuration, en champ magnétique appliqué de façon parallèle aux couches des lasers à cascade, nous avons pu mettre en évidence un déplacement relatif des sousbandes de la transition radiative.
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Simeni, Simeni Marien. "Quantum cascade laser absorption studies of nitric oxide production by nanosecond pulsed discharges in air and in combustible mixtures". Thesis, Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris, 2015. http://www.theses.fr/2015ECAP0033/document.
Streszczenie:
Les plasmas d’air à pression atmosphérique ont de nombreuses applications. Nous pouvons par exemple citer les applications biomédicales, le traitement des matériaux, la bio-décontamination environnementale et la combustion assistée par plasma. La polyvalence des décharges plasma résulte de leur capacité à produire des densités élevées d’espèces actives, sans toutefois chauffer substantiellement le gaz. Les décharges nanosecondes répétitivement pulsées (NRP) ont particulièrement reçu une grande attention en raison de leur capacité à produire des densités électroniques élevées, qui conduisent à la création de fortes densités d’espèces actives telles que l’oxygène atomique (O). Par ailleurs, des mesures de spectroscopie d’émission ont montré que des états excités du monoxyde d’azote (NO) sont produits par les décharges NRP opérant dans l’air ou dans des mélanges combustibles. Bien que les décharges NRP aient déjà fait l’objet de plusieurs investigations, les mécanismes cinétiques conduisant à la production de NO sont toujours incertains. C’est la motivation première des travaux menés dans le cadre de cette thèse. En outre, les décharges NRP se sont avérées produire une grande quantité d’oxygène d’atomique, espèce de grande importance pour la combustion assistée par plasma. Il a été en particulier démontré que grâce à la production élevée d’espèces actives, les décharges NRP peuvent stabiliser efficacement des flammes pauvres, à pression atmosphérique. Cependant la production de NO par les décharges NRP et les flammes stabilisées à l’aide des décharges NRP reste à étudier. Cela constitue le second objectif de cette thèse. Les mesures in-situ de densités absolues de NO dans les décharges plasmas et/ou en combustion sont très difficiles. Les techniques de fluorescence telle que la fluorescence induite par laser (LIF) nécessitent de complexes méthodes de calibration. Ces techniques requièrent également la connaissance des taux de quenching des états excités (en particulier à pression atmosphérique). Or ces taux de quenching sont très fortement dépendants de la température, de la nature des espèces en présence et de leur densité, et peuvent donc énormément différer entre un plasma opérant dans l’air et en combustion. D’autres techniques telles que l’utilisation des sondes à chimiluminescence sont tout aussi sujettes aux problèmes de calibration et de quenching des états excités tandis que les mesures ex-situ à l’aide d’analyseurs à gaz réalisant de l’absorption dans l’UV et l’IR peuvent conduire à des erreurs, surtout lorsqu’il s’agit de mesurer des radicaux. Dans cette étude, nous avons développé la spectroscopie d’absorption par laser à cascade quantique (QCLAS), pour des mesures in-situ de densités de NO dans l’air et en combustion. Cette technique permet de surmonter les difficultés des autres méthodes par utilisation d’une spectroscopie rotationnelle-vibrationnelle de haute résolution spectrale (10-3 cm-1). La QCLAS a les avantages d’être spectralement sélective, d’avoir une grande sensibilité et de ne pas nécessiter de calibration. Deux dispositifs expérimentaux ont été développés pour mesurer des densités de NO et des températures (1) dans une décharge NRP dans l’air, avec une résolution spatiale de 300-µm, et (2) en aval de la décharge NRP opérant dans l’air et dans des flammes méthane/air assistée par plasma, par utilisation d’une cellule multi-passages. [...]Atmospheric pressure plasmas have numerous potential applications. These applications include for instance biomedicine, material processing, environmental biodecontamination and plasma-assisted combustion. The versatility of plasma discharges results from their ability to produce high quantities of active species without increasing the temperature of the gas appreciably. Nanosecond Repetitively Pulsed discharges (NRP) have received great attention owing to their capacity to generate high electron densities, which lead to the creation of a high density of active species such as atomic oxygen. Optical Emission Spectroscopy (OES) showed that excited nitric oxide (NO) was released by NRP discharges in air or in air/fuel mixtures.Although NRP discharges have already been the object of several investigations, the kinetic mechanisms of NO production by NRP discharges at atmospheric pressure remain somewhat unclear. This is one of the motivations for the investigations conducted in this thesis. In addition, NRP discharges were found to produce large amounts of atomic oxygen, which is of great interest for applications such as plasma-assisted combustion. It was shown in particular that thanks to this high production of active species, NRP discharges can effectively stabilize lean flames at atmospheric pressure. However, the production of NO in NRP discharges and in plasma-stabilized flames remains to be investigated. This is the second purpose of this thesis.Absolute and in-situ NO density measurements in atmospheric pressure plasma or/and flame environments are very challenging. Fluorescence-based techniques such as Laser Induced Fluorescence (LIF) require complex calibration methods. These techniques also require the knowledge of the quenching rates of the excited states (particularly at atmospheric pressure), which strongly depend on the temperature, density and nature of the species and can be very different for plasma or/and flame environments. Other techniques, such as chemiluminescence probe sampling also have quenching and calibration issues, and ex-situ UV and IR absorption-based gas analyzers can lead to errors, in particular for radicals.In this study, we developed Quantum Cascade Laser Absorption Spectroscopy (QCLAS) for in-situ nitric oxide absolute density measurements in open-air and in combustion environments. This technique overcomes the difficulties of the previous ones by using high-resolution (10-3 cm-1) rotational-vibrational absorption spectroscopy. This technique presents the advantages of high spectral selectivity, no calibration requirement, and high sensitivity. Two experimental setups were developed to measure NO densities and temperature, (1) within a NRP discharge in air, with 300-µm spatial resolution, and (2) downstream of NRP discharges in air and in plasma-assisted methane/air flames, using multi pass cell. [...]
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Maisons, Grégory. "Réalisation de source lasers monomodes innovantes émettant dans le moyen infrarouge : application à la spectroscopie". Phd thesis, Grenoble, 2010. http://www.theses.fr/2010GRENY058.
Streszczenie:
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 spectroscopieThis 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
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Wang, Feihu. "Ultrafast terahertz pulse generation from quantum cascade lasers". Electronic Thesis or Diss., Paris 6, 2016. http://www.theses.fr/2016PA066752.
Streszczenie:
Lasers à cascades quantiques (LCQs) THz sont des dispositifs à semi-conducteurs fondamentaux pour l'action du laser dans la gamme THz. Des évolutions considérables ont été réalisées dans la dernière décennie en termes de fonctionnement de la température et de la puissance de sortie. LCQs THz peuvent posséder de bandes spectrales très larges, les rendant approprié pour la génération d'impulsions THz ultracourtes par blocage de mode. Cependant, à ce jour, la génération d'impulsions THz de LCQ a été limitée à 10 - 20 ps, en dépit de plusieurs années d'efforts de recherche. Dans cette thèse, ce goulot d'étranglement dans la technologie QCL est étudié et surmontée. Plusieurs étapes qui ont permis la réalisation de génération d'impulsions ultracourtes de LCQ ont été réalisées. Performances de "state-of-the-art" actuelles sont représentés, à l'aide de LCQ avec une bande passante étroite dans des guides d'ondes "single-plasmon" et des impulsions THz de 20 ps sont générés à basse température (10K). Ceci est suivi par, pour la première fois, le verrouillage de modes des LCQs des bandes spectrales larges dans les guides d'onde métal-métal à des températures élevées (77k). Même avec de bandes spectrales larges, les impulsions obtenus étaient seulement 11 ps et nous montrent que la dispersion de l'indice et la modulation électrique sont les facteurs critiques. Enfin, ces effets sont compensés par un interféromètre de Gires-Tournois et un modulation de perte. Cette approche permet de générer des impulsions aussi courtes que 4 ps, avec la possibilité d'aller beaucoup plus loin dans la sous-picosecondeTHz quantum cascade lasers (QCLs) are foundational semiconductor devices for laser action in the THz range. Considerable developments have been made in the last decade in terms of temperature operation and high output power. THz QCLs can also possess extremely large spectral bandwidths, rendering them suitable for ultrashort THz pulse generation through modelocking, with pulse widths of a few picoseconds theoretically obtainable. However, to date, the generation of THz pulses from QCLs has been limited to 10 - 20 ps, despite several years of research effort. In this thesis, this bottleneck in QCL technology is investigated and overcome. Several milestones have been achieved that permitted the realization of ultrashort pulse generation from QCLs. Current state-of-the-art performances are shown, using narrow spectral bandwidth QCLs in single-plasmon waveguides, and where modelocking results in 20 ps long THz pulses at low temperatures (10K). This is followed by, for the first time, mode-locking of broad spectral bandwidth QCLs in sub-wavelength metal-metal waveguides at ‘high’ temperatures (77K). Even with large spectral bandwidths, the shortest pulses achieved were only 11 ps and we show that the index dispersion and the electrical modulation are the critical factors. Finally, these effects are compensated through a Gires-Tournois interferometer and an extra loss mechanism, respectively, integrated monolithically onto a QCL. This approach permits to generate pulses as short as 4 ps, with the potential to go considerably further to the sub-picosecond or single cycle regime
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Abadie, Claire. "Détecteurs et lasers THz à base d'antennes accordables en fréquence". Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLS145/document.
Streszczenie:
Les dispositifs optoélectroniques sont importants pour nombreuses applications de la vie de tous les jours : ordinateurs, téléphones, les objets connectés en général. La gamme spectrale du THz (0.1-10 THz) reste cependant un domaine industriellement peu exploité en raison de problèmes intrinsèques à la génération et détection des photons THz.De nombreuses applications relèvent pourtant du THz, dans les domaines médicaux par exemple, pour la détection des gaz à l’état de trace, ou bien pour l’imagerie d’objets opaques dans le visible.Cette thèse se focalise sur les photodétecteurs à puits quantiques (QWIPs) et les lasers à cascade quantique (QCLs) fonctionnant dans la gamme du THz dans le but de développer des dispositifs compacts, rapides et sensibles (mais fonctionnant à températures cryogéniques). Nous avons utilisé des résonateurs à anneau fendu, inspirés des travaux sur les métamatériaux, pour concevoir et développer des détecteurs sub-longueur d’onde accordables en fréquence dans la gamme spectrale du térahertz grâce à une inductance externe. En ce qui concerne les émetteurs, cette thèse étudie les micro-lasers THz qui utilisent des résonateurs de type microdisques, avec pour but de concevoir et fabriquer des lasers fonctionnant sur le mode électromagnétique fondamental. Les futures perspectives de ce travail concernent la réalisation d’un laser entièrement sub-longueur d’onde et rapide dans la gamme spectrale du THzOptoelectronic devices are crucial for many applications in everyday life: computers, smartphones, connected objects in general.The THz range (0.1-10 THz) still remains industrially unexploited because of the intrinsic difficulties to produce or generate THz photons. However, many applications exist for THz radiation : in the medical field for example, for the sensitive detection of gases, or for the imaging of concealed objects in the visible range.This thesis focuses on quantum well photodetectors (QWIPs) and quantum cascade lasers (QCLs) operating in the THz range in order to develop compact, fast and sensitive devices (but operating at cryogenic temperatures).We used Split Ring Resonators (SRR), inspired by metamaterial research, in order to design and develop subwavelength tunable THz detectors with an external inductance.Concerning lasers, this thesis studies THz micro-lasers using microdisk resonators with the aim of designing and manufacturing lasers operating on the fundamental electromagnetic mode (dipolar mode). The future perspective of this work is to build an entirely sub-wavelength and fast laser in the THz spectral range
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Nguyen, Van Hoang. "Transistor Quantique InAs à Electrons Chauds : Fabrication submicronique et étude à haute fréquence". Thesis, Montpellier 2, 2012. http://www.theses.fr/2012MON20084/document.
Streszczenie:
Transistor Quantique InAs à Electrons Chauds: Fabrication submicronique et étude à haute fréquenceL'objectif de cette thèse est le développement de la technologie d'un transistor à électrons chauds constitué d'une hétérostructure quantique InAs/AlSb et exploitant un transport électronique résonant ultrarapide, le QHET (Quantum Hot Electron Transistor). Ce travail a permis l'étude approfondie de ses propriétés et performances à haute fréquence. L'étude aborde tous les aspects, de la conception, la croissance épitaxiale, la technologie de fabrication à la caractérisation statique et dynamique. Ce travail de thèse s'est effectué principalement à l'Institut d'Electronique du Sud (IES), sous la direction de Roland Teissier, et pour partie à l'Institut d'Electronique de Microélectronique et Nanotechnologie (IEMN) sous la direction de Mohamed Zaknoune. Nous avons, dans premier temps, mis en œuvre à l'IES une technologie double mésa afin de fabriquer les transistors avec l'émetteur de 10x10µm². La technologie en grande dimension est aisément réalisable et surtout reproductible. Elle nous a permis de travailler sur un grand nombre de structures transistor fabriquées par epitaxie par jets moléculaires (EJM) sur substrats InAs, afin d'en étudier le transport électronique et d'optimiser leur dessin. Le premier résultat marquant a été d'augmenter le gain statique jusqu'à une valeur de 15 grâce à une modification de la structure de l'émetteur qui une injection plus efficace puis l'utilisation d'une base fine de 85Å, qui améliore le temps de transit. Dans un deuxième temps, nous avons travaillé au sein de l'IES sur l'évolution de la technologie vers des dimensions intermédiaires dont la dimension la plus petite est de 1 µm de largeur. Cette technologie nous a donné une amélioration de performance des QHET grâce à la réduction des résistances et des capacités parasites des composants. Nous avons aussi travaillé à l'IEMN pour développer une technologie submicronique qui permet d'atteindre une largeur d'émetteur de 0.3 µm grâce à l'utilisation de la lithographie électronique. Cette technologie de fabrication plus performante nous a permis de mieux comprendre le fonctionnement du QHET. Et d'atteindre une régime de fonctionnement à forte densité de courant jusqu'à près de 1MA/ cm². Enfin, nous avons développé la structure et la technologie qui vont nous permettre d'évaluer la réponse à haute fréquence des QHET. Un point important a été de à disposer de la structure active du transistor sur un substrat isolant qui permette de réduire les éléments parasites durant la mesure en fréquence. Nous avons développé deux solutions : le transfert de substrat et la croissance métamorphique directement sur un substrat GaAs isolant.Les composants fabriqués par transfert de susbtrat présentent des valeurs de fréquence de transition FT de 77GHz et de fréquence d'oscillation FMAX de 88GHz. Les échantillons métamorphiques ont démontré de meilleures performances avec un FT de 170GHz et un FMAX supérieur à 200GHz. Ces résultats constituent les meilleurs dynamiques de transistors à électrons chauds à température ambiante. Ces études ont également fait progresser la compréhension du transport à haute fréquence dans ces composants. Ils permettent de comprendre les limitations actuelles et de proposer des pistes d'améliorationThis work aims to develop a new high speed transistor in a vertical transport configuration that exploits the favourable transport properties of III-V semiconductor heterostructures based on InAs. This transistor is similar to a heterojunction bipolar transistor (HBT), but has theoretical assets to overcome the fundamental high speed limits of electron transport in HBT. Our approach uses the concept of hot electron transistor in an original InAs/AlSb quantum heterostructure, that we called a quantum hot electron transistor (QHET) or quantum cascade transistor (QCT). This research was almost done in Southern Electronics Institute (IES) under supervision of Dr. Roland Teissier and other work was realized in Micro-Nanotechnology Electronics Institute (IEMN) under supervision of Dr. Mohamed Zaknoune. The QHET is a unipolar vertical transport device made of a InAs/AlSb quantum heterostructure. Its first advantage over npn HBTs is the low base sheet resistance of 250 Ω/□ , accessible with moderate n-type doping levels (typically 1018 cm-3), which is a key parameter for high speed operation. Secondly, electron transport in the short (typically 100nm) bulk InAs collector is mostly ballistic with calculated transit times much shorter than in InP-based devices. We already developed the design and technology of QHET and demonstrated its resonant transports at cryogenic temperature and its improved static operation in smaller device. From these results, we come to develop our QHET structures to achieve high current gain. Using quantum design of thin base, the current gain is about 15. We fabricated QHET with emitter width scaled down to 0.3µm, using a state of the art electron beam lithography process. The junctions are defined using selective chemical etching. The base contact is self-aligned on the emitter contact. We achieved base resistance lower than 50Ω, comparable to state of the art HBTs. The small dimension allowed reaching the high current density regime of up to 1 MA/cm² required for high frequency operation. The static current gain is about 10, but could be increased up to 14 using a new quantum design. The collector breakdown voltage is greater than 1.2 V.Towards high frequency measurement, the substrate must be non-conducting material but InAs substrate is not available. Two technologies were proposed: transferred substrate and metamorphic substrate. For transferred substrate technology, we obtained a response of cutoff frequency of 77 GHz for FT and 88 for FMAX. For metamorphic substrate technology, we performed the growth of the transistor structures on a semi-insulating GaAs substrate. We used a thin GaSb buffer layer for metamorphic growth of the active part of the transistor, with an adequate growth procedure that allows forming mainly 90° misfit dislocations at the interface between the GaAs and GaSb. This technique permits more convenient and reliable processing of the devices, as compared to use of the more standard AlSb thick buffer layer. The frequency response was determined from S-parameters measured with a network analyser up to a frequency of 70 GHz. The measured gains, after de-embedding of the connection parasitic for a device with 0.5x4µm² emitter for JC=350kA/cm² (Ic= 6.0mA, Ib= 0.7mA, Vce=1.3V). The frequency dependence is not conventional on this device, with a resonance in the current gain close to 10 GHz and a slope different from -20 dB/decade for Mason's unilateral gains. Nevertheless, we could extract the cut-off frequencies FT=172 GHz from H21 and FMAX =230 GHz using -20dB/decade extrapolation of maximum stable gain (MSG). The present results confirmed the validity of this novel device concept. In addition, this is the first demonstration of the ability of a hot electron transistor to operate at high frequency at room temperature
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Shen, Fengjiao. "Development of a laser heterodyne radiometer for atmospheric remote sensing". Thesis, Littoral, 2019. http://www.theses.fr/2019DUNK0542.
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La mesure des profils verticaux de concentration de traces de gaz atmosphériques permet de mieux comprendre la pollution de l'air, la destruction de l'ozone et le changement climatique. Elle permet aussi de valider les modèles chimiques proposés et les observations par satellite. À ce titre, le Radiomètre Hétérodyne Laser (RHL) offre des avantages certains en termes de résolution spectrale, de sensibilité et de résolution verticale élevées. Sa taille relativement compacte, permettant un déploiement pour des applications sur le terrain, est un atout supplémentaire. L'objectif de cette thèse consiste à développer un instrument RHL entièrement transportable pour la télédétection au sol, dans le domaine de l'infrarouge moyen (mi-IR), de gaz à l'état de traces présents dans la colonne atmosphérique. Afin de tester notre appareil et de caractériser ses performances, un récepteur RHL mi-IR a été mis au point comme Preuve de Concept (PdC). Il a été validé sur la plate-forme QualAir de l'Université Pierre et Marie Curie (UPMC) associé à un héliostat de la station TCCON-Paris. Ainsi, le spectre d'absorption du CH₄ présent dans la colonne atmosphérique a été extrait du rayonnement solaire à l'aide de notre récepteur RHL. Il est en bon accord avec le spectre mesuré par la station TCCON-Paris. L'instrument LHR mi-IR entièrement transportable mis au point dans le cadre de cette thèse possède un fort potentiel d'utilisation dans la mesure des profils verticaux de concentration d'espèces clés atmosphériques. Il peut potentiellement être positionné sur des engins spatiaux, sur des plates-formes aéroportées ou au solThe measurement of vertical concentration profiles of atmospheric trace gases provides a better insight into air pollution, ozone destruction and climate change as well as a way to validate chemical models and satellite observations. To that end, laser heterodyne radiometer (LHR) offers significant benefits in terms of high spectral resolution, high sensitivity and high vertical resolution in conjunction with a compact instrumental size deployable for field applications. The aim of this thesis is to develop a fully transportable mid-infrared (mid-IR) LHR instrument for ground-based remote sensing of key trace gases in the atmospheric column. In order to test our design and characterize its performance, a proof of concept (PoC) mid-IR LHR receiver was first developed. Its field test was carried out on the QualAir platform of the University Pierre et Marie Curie (UPMC) with the help of a heliostat of the TCCON-Paris station (TCCON : Total Carbon Column Observing Network). LHR absorption spectrum of CH₄ in the atmospheric column was extracted from the solar radiation using the developed ground-based LHR receiver and it is good agreement with the spectrum measured by the TCCON-Paris station. After this field test validation, a fully transportable mid-IR LHR instrument was developed and deployed on the roof of the IRENE platform of the University of Littoral-Côte d'Opale (ULCO) in Dunkirk. LHR spectrum of CH₄ and N₂O in the atmospheric column was measured and in good agreement with the TCCON FT-IR spectrum of CH₄ and N₂O, as well as in good agreement with the atmospheric transmission modelling. The fully transportable mid-IR LHR instrument developed in this PhD work has high potential use in measurement of vertical concentration profiles of key atmospheric species on spacecraft, on airbone or on ground-based platform
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Boulley, Laurent. "Développement de dispositifs à base de dioxyde de vanadium VO ₂ et de méta-surfaces dans le moyen infrarouge : applications passives et intégration sur des lasers à cascade quantique". Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLS150.
Streszczenie:
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 mesuréeThe 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
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Pistore, Valentino. "Modelocking of THz quantum cascade lasers : dispersion control and non-linearities". Electronic Thesis or Diss., Sorbonne université, 2019. https://accesdistant.sorbonne-universite.fr/login?url=https://theses-intra.sorbonne-universite.fr/2019SORUS302.pdf.
Streszczenie:
Les LCQ THz sont aujourd'hui considérés comme une plate-forme prometteuse pour la génération d’impulsions THz intenses et ultracourtes. En raison de leur temps de récupération du gain rapide, le verrouillage en mode passif des LCQ THz s'est jusqu'à présent révélé difficile. Au contraire, le verrouillage de mode actif avec une modulation hyperfréquence a été appliqué avec succès. La durée du pouls a cependant été difficile à réduire malgré des années de recherche. En 2017, notre groupe a généré des impulsions THz de 4ps grâce à l'application d'une structure intégrée (un GTI) visant à réduire la dispersion chromatique. La recherche dans cette thèse commence à partir de ce point. Je présente notamment l'ingénierie de dispersion dans les LCQ THz afin d'obtenir des impulsions très courtes, même à partir de dispositifs à bande relativement étroite. Ceci est réalisé en utilisant des méthodes de modulation actives éprouvées qui peuvent ajuster l’émission de LCQ d’un régime de dispersion élevé à faible. Je montre également que les LCQ THz peuvent présenter une forte modulation d'amplitude de leur profil d'émission et qu'ils peuvent émettre spontanément des impulsions à la suite d'un mécanisme d’auto-verrouillage. En conséquence, cela indique que le temps de récupération de gain rapide n'est pas un facteur limitant pour la génération d'impulsions. Je montre également ce schéma passif dans le cadre des premières démonstrations du verrouillage en mode harmonique de LCQ THz. Enfin, un nouveau phénomène est présenté où les modes d’une LCQ THz peuvent battre ensemble pour générer une émission de micro-ondes dans l’espace libreTHz QCLs are nowadays considered a promising platform for the generation of intense and ultrashort THz pulses. Owing to their fast gain recovery time, passive modelocking of THz QCLs has so far proved to be difficult. On the contrary, active modelocking with a microwave modulation has been successfully applied. The pulse duration, however, has been arduous to reduce despite years of research. In 2017, THz pulses as short as 4ps have been generated by our group with the application of an integrated structure (a GTI) aiming to reduce the chromatic dispersion. The research in this thesis starts from this point.In particular, I present dispersion engineering in THz QCLs in order to obtain very short pulses even from relatively narrow-band devices. This is achieved using proven active modulation methods that can tune the QCL emission from high to low dispersion regimes. I also show that THz QCLs can present a strong amplitude modulation of their emission profile and that they can spontaneously emit pulses as a result of a self-locking mechanism, contrary to the expected frequency modulated response. As a consequence, this indicates that the fast gain recovery time is not a limiting factor for the generation of pulses. I also show this passive self-locking scheme for passive pulse generation in the framework of the first demonstrations of harmonic modelocking of THz QCLs. Finally, a new phenomenon is presented where the modes of a free running THz QCL can beat together to generate free space microwave emission
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Bielsa, Franck. "Spectroscopie vibrationnelle à deux photons de l'ion H2+ : développement d'une source laser à 9.166 microns". Paris 6, 2007. https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00199877.
Streszczenie:
La détermination du rapport de la masse du proton à celle de l'électron via la spectroscopie rovibrationnelle de H2+ nécessite une détermination théorique et expérimentale des fréquences de transition avec une incertitude de l'ordre de 1 kHz. Les calculs de corrections radiatives et relativistes les plus précis atteignent aujourd'hui une incertitude de quelques dizaines de kHz, ce qui rend possible une expérience de spectroscopie haute résolution. Le dispositif expérimental que nous avons mis en place s'articule autour de deux axes. Le premier est le dispositif de préparation des ions et de détection de la transition vibrationnelle. Celui-ci se base sur la photodissociation sélective des ions H2+ confinés dans un piège de Paul hyperbolique. Le deuxième est une source laser accordable autour de 9. 2 microns, spectralement étroite (au niveau du kHz) et stable, émettant 50 mW en régime continu. Cette source nous a permis de réaliser la spectroscopie haute résolution de l'acide formique.
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Abajyan, Pavel. "Génération et contrôle de peignes de fréquences optiques dans les lasers à cascade d'interbande (ICL)". Electronic Thesis or Diss., Sorbonne université, 2024. http://www.theses.fr/2024SORUS024.
Streszczenie:
Les peignes de fréquence optique (OFC) sont des sources de lumière cohérente qui émettent un large spectre de modes discrets parfaitement espacés, chacun avec une fréquence absolue mesurable avec la précision d'une horloge atomique.Les OFC dans l'infrarouge moyen (MIR 3-12 μm) sont récemment devenus d'un grand intérêt pour la spectroscopie moléculaire par la présence de forte absorption des modes de vibration et de rotation moléculaires dans la région des "empreintes digitales" spectroscopiques. Néanmoins, le fonctionnement de l'OFC dans la région cruciale de l'infrarouge moyen (MWIR 3-6 μm) reste nettement sous-développé par rapport aux autres parties du MIR.Dans ce travail, nous présentons une étude expérimentale approfondie d'une nouvelle génération de laser à cascade interbande (ICL) et de leur potentiel pour les OFC dans MWIR. La thèse apporte la preuve du régime OFC à la fois par spectroscopie des battements (BN) à haute fréquence, et par la nouvelle technique de reconstruction temporelle de la dynamique ultrarapide de ces lasers, celle-ci permettant de "visualiser" le contrôle du type de fonctionnement de l'OFC dans les ICL. En particulier, a été effectuer la caractérisation opto-électrique d'un ensemble d'ICL avec une gamme de géométries, dans le but d'étudier les ICL à faible dispersion de retard de groupe (GDD) à des longueurs d'onde plus longues que celles étudiées auparavant: un ICL fonctionnant à 3.8 μm avec une architecture en 2-sections, des ICL fonctionnant à 4.1 μm, et une autre génération d'ICL fonctionnant à une longueur d'onde de 4.2 μm conçue avec un gain spectral large. La formation du régime OFC et le GDD sont liées et importantes pour comprendre les mécanismes fondamentaux de la formation de l'OFC. Les ICL ont été étudiés à l'aide de la spectroscopie BN optique et électrique. Les verrouillages de mode passif (PML) (ou fonctionnement libre) et actif (AML) ont été démontrés. Pour les ICL à 2-sections, où l'ICL est divisé en une partie longue et une partie courte pour une seule cavité, l'effet exact de la petite section sur le BN a été explicité: permets de (a) contrôler très finement le GDD intracavité, (b) introduire des pertes et montrant que l'on converge vers un comportement PML. Ce travail étend l'étude au cas des ICL fonctionnant à des longueurs d'onde plus longues dans une cavité à section unique et où le GDD est censé être inférieur.Pour un ICL à 4.1 μm, il est montré qu'un BN optique puissant peut être verrouillé par injection radiofréquence (RF) à la fréquence d'un aller-retour de l'ICL, premières étapes de AML. Ce verrouillage par injection a été réalisé à l'aide d'une architecture laser à 1-section avec une très faible GDD montrant ainsi que l'adaptation du guide d'onde ICL au fonctionnement RF n'est pas une exigence fondamentale.Dans sa dernière partie, la thèse montre la mise en œuvre de la technique "Shifted Wave Interference Fourier Transform Spectroscopy" (SWIFTS), utilisée selon deux configurations différentes, pour reconstruire le profil d'intensité temporel du laser à des échelles de temps ultrarapides. Cela démontre la nature des OFC générés dans ces ICL. L'ICL fonctionne en régime de modulation de fréquence (FM) lorsqu'il est en fonctionnement libre et transite vers un régime de modulation d'amplitude (AM) lorsqu'il est en régime AML en par injection RF. L'étude montre également que les ICL peuvent générer des impulsions courtes de ∼6.7 ps en fonctionnement libre, malgré leur caractère FM, et met en évidence le contrôle de la largeur d'impulsion et de l'intensité maximale via l'injection RF. Cela permet de compresser d'un facteur de 2.3 les impulsions libres pour obtenir des impulsions inférieures à 3 ps.Ces travaux constituent une étape importante dans la réalisation et le contrôle des OFC dans la région MWIR. Les perspectives sont d'élargir la bande passante spectrale des ICL et de générer des impulsions ultracourtes de haute puissance dans le MWIR et au-delàOptical frequency combs (OFCs) are coherent light sources that emit a broad spectrum of discrete, perfectly spaced modes, each with an absolute frequency measurable with the precision of an atomic clock.OFCs in the mid-infrared (MIR 3-12 μm) have recently become of great interest to molecular spectroscopy by the presence of strong absorption of molecular vibration and rotation modes in the spectroscopic "fingerprint" region. Nevertheless, the operation of the OFC in the crucial mid-infrared region (MWIR 3-6 μm) remains significantly underdeveloped compared to other parts of the MIR.In this work, we present an in-depth experimental study of a new generation of interband cascade laser (ICL) and their potential for OFCs in MWIR. The thesis provides proof of the OFC regime both by high-frequency beatnote spectroscopy (BN), and by the new technique of temporal reconstruction of the ultrafast dynamics of these lasers, this making it possible to "visualize" the control of the type of operation of the OFC in ICL. In particular, was carried out the optoelectrical characterization of a set of ICLs with a range of geometries, with the aim of studying low group delay dispersion (GDD) ICLs at longer wavelengths than those previously studied: an ICL operating at 3.8 μm with a 2-section architecture, ICLs operating at 4.1 μm, and another generation of ICL operating at a wavelength of 4.2 μm designed with a wide spectral gain. OFC regime formation and GDD are linked and important for understanding the fundamental mechanisms of OFC formation. ICLs were studied using optical and electrical BN spectroscopy. Passive mode locking (PML) (or free running) and active mode locking (AML) were demonstrated. For 2-section ICLs, where the ICL is divided into a long part and a short part for a single cavity, the exact effect of the small section on the BN has been explained: allows to (a) control very finely the intracavity GDD, (b) introducing losses and showing that we converge towards PML behavior.This work then feeds into the case of ICLs operating at longer wavelengths in a single section cavity and where the GDD is expected to be less. In the particular case of the ICLs operating at 4.1 μm, we demonstrate a strong optical BN, which can be injection locked by radio frequency (RF) injection at the round trip frequency of the ICL, showing the first-steps of active modelocking. This injection locking was achieved using a simple single-section laser architecture with very low waveguide dispersion, and showing that adapting the ICL waveguide for RF operation is not a fundamental requirement. In the final part of the thesis, we show the implementation of the "Shifted Wave Interference Fourier Transform Spectroscopy" (SWIFTS) technique, used in two different configurations, to reconstruct the laser's temporal intensity profile at ultrafast timescales. This permits to demonstrate the nature of OFC generated in these ICLs. Indeed, we show that the ICL operates in the frequency modulation (FM) regime when free-running and transits towards an amplitude modulation (AM) regime when actively modelocked. Interestingly, we also show that ICLs can generate short pulses of ~6.7 ps in free-running operation, despite FM operation, and highlight the control of the pulse width and peak intensity via RF injection. This permits to compress the free-running pulses by a factor of 2.3 to obtain sub-3 ps pulses.This work constitutes an important step in the creation and control of OFCs in the MWIR region. The prospects are to broaden the spectral bandwidth of ICLs and generate high-power ultrashort pulses in the MWIR and beyond
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Lemoine, Paul-Arthur. "Etudes de l'émission thermique et de lasers à cascade quantique dans l'infrarouge par microscopie optique en champ proche à pointe diffusante". Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris, 2008. http://www.theses.fr/2008ECAP1089.
Streszczenie:
Les microscopes en champ proche optique à pointe diffusante conventionnels (aSNOM) se composent généralement de trois éléments indispensables. Une illumination externe de type laser qui permet la génération d’un champ électromagnétique au niveau de la surface de l’échantillon. Une sonde locale de taille sub-longueur d’onde qui diffuse localement les ondes évanescentes présentes sur la surface tout en remplissant son rôle de pointe de microscope à force atomique. Et enfin un détecteur optique. Le tout est supervisé par une électronique de contrôle qui assure l’asservissement de la sonde et ses déplacements. De tels systèmes permettent l’acquisition de la topographie et de la réponse optique d’un échantillon à la longueur d’onde du laser d’excitation avec une résolution proche de 50nm. Nous avons développé un microscope à pointe diffusante opérant dans la gamme d’énergie infrarouge 6µm-12µm et qui fonctionne sans aucune source externe. Dans ce dispositif, baptisé TRSTM (thermal radiation scanning tunnelling microscope), l’échantillon est chauffé jusqu’à une température de 180°C et devient lui-même la source du rayonnement électromagnétique du dispositif. Le TRSTM sonde la densité locale d’états électromagnétiques à la surface de la structure. L’étude d’îlots d’or déposés sur du carbure de silicium (SiC) a permis de révéler par mesure directe la présence de phonons-polaritons sur le SiC et de mettre en évidence la cohérence du rayonnement thermique en champ proche associée à la présence de plasmons de surface sur l’or. Nous avons poussé l’étude en nous intéressant à la dépendance du signal en fonction de la distance pointe – surface et confronté les données expérimentaWe present a novel setup based on apertureless near-field scanning optical microscopy (ANSOM) designed for detecting infrared thermal radiation at the surface of a photonic structure with a resolution far beyond the diffraction limit which is close to 5µm in the infrared frequencies). This new instrument is a powerful means to obtain optical information with a resolution equal to 100nm. The system is based on a home-made ANSOM. It is an atomic force microscope (AFM) combined with infrared optics. The AFM uses a tungsten tip in tapping mode to provide a topographic image of the sample and to scatter evanescent waves. As the sample is heated by a hot plate, temperature excites thermal radiation from the surface, which is scattered by the AFM tip in the near-field. Light scattered by the tip is then collected and focused on an infrared detector, producing a near field infrared thermal image. We performed observations on gold geometric patterns deposited on a SiC substrate. The sample is heated up to 180°C. We imaged interferences of gold plasmons and demonstrated the first direct experimental proof of the spatial coherence of thermal radiation in near field. We also realized study of the surface of an quantum cascade laser. These devices present an evanescent field at their top surface proportional to the field present inside the cavity. By scattering this evanescent field, our system gives access to the Fabry-Perot interference fringes inside the laser cavity
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Zhao, Zhenyu. "Spectroscopie térahertz ultrarapide et propriétés optiques non-linéaires de nanostructures semiconductrices". Paris 6, 2008. http://www.theses.fr/2008PA066264.
Streszczenie:
Ce mémoire de thèse présente deux études expérimentales dans le domaine de la dynamique ultra-rapide des porteurs dans les nanostructures semiconductrices: 1. Le développement de la spectroscopie Térahertz dans le domaine temporel (THz-TDS) et son utilisation pour mesurer le gain d’un laser à cascade quantique GaAs/AlGaAs. 2. L’étude des effets de 3ième ordre en optique non linéaire dans des verres de Tellure dopés en nanocristaux AgCl, par "Z-scan" et mélange à quatre ondes (DFWM). A cette fin, nous avons d’abord construit un montage de spectroscopie Térahertz dans le domaine temporel avec deux sources de rayonnement différentes : la rectification optique dans un cristal non-lineaire <110> ZnTe et par ailleurs des antennes interdigités photoconductrices. Dans un premier temps, nous avons étudié la compétition entre la rectification optique, la génération de second harmonique, l’absorption à deux photons, et l’absorption par les porteurs libres. Le faisceau pompe subit une absorption à deux photons et le rayonnement THz émis est diminué, dans les conditions de focalisation, par l’absorption des porteurs libres. La réduction de l’émission THz dans les conditions de focalisation est expliquée, à condition de tenir compte des effets de la diffraction de la source THz sub-longueur d’onde. Dans un deuxième temps, nous avons étudié les propriétés de l’émission THz dans le domaine temporel et spectral d’un nouveau type d’antenne photoconductive interdigitée basée sur du GaAs semi-isolant, en fonction de la densité de porteurs et dans une gamme de température allant de 4. 2K à 270K. Les propriétés de l’émission THz sont linéaires pour de faibles tensions appliquées mais révèlent des effets de saturation pour des tensions importantes en raison de la diffusion inter-vallées de la bande à la bande L. Les performances THz saturent aussi pour de fortes excitations laser à raison de l’écrantage des charges. La dynamique des porteurs à été étudiée expérimentalement pour différentes températures. Le spectre THz de l’émission se déplace vers les basses fréquences lorsque la température augmente. L’influence de la mobilité électronique est discutée. Dans une troisième partie, après avoir comparé les deux méthodes de génération THz ci-dessus et décidé d’utiliser les antennes photoconductives comme source d’excitation pour notre montage THz-TDS, nous avons étudié le gain et les pertes d’un laser à cascade quantique (LCQ) fonctionnant à 2. 9 THz. Nous avons étudié les variations du gain en fonction du courant injecté, à différentes températures. Nous avons mesuré les spectres d’amplitude et de phase THz, permettant une détermination directe du gain. A la fréquence de fonctionnement du LCQ, nous mesurons un gain de 6. 5cm-1. Des effets comme le « clampage » du gain et l’affinement spectral du gain sont observés et discutés. Pour finir, nous avons étudié le coefficient de polarisabilité d’ordre 3 des verres de Tellure (80TeO2-20Nb2O5) dopés en nanocristaux AgCl. Nous avons produit des échantillons par les techniques fonte-trempe et traitement thermique. Les résultats de la caractérisation révèlent qu’un traitement plus long augmente la tailles des nanocristaux qui donne lieu à l’apparition de plus de défauts et une plus grande déformation du réseau cristallin des nanocristaux aux interfaces avec le verre. Des états électroniques piégés apparaissent sous l’effet de la déformation de la structure cristalline. Une forte absorption à deux photons et une absorption des états électroniques piégés réduit le seuil de la limitation optique. Le coefficient polarisabilité non linéaire χ(3) augmente à cause de la formation des défauts et des états électronique localisés.
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Bielsa, Franck. "Spectroscopie vibrationnelle à deux photons de l'ion H2+: développement d'une source laser à 9,166µm". Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2007. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00199877.
Streszczenie:
La détermination du rapport de la masse du proton à celle de l'électron via la spectroscopie rovibrationnelle de H2+ nécessite une détermination théorique et expérimentale des fréquences de transition avec une incertitude de l'ordre de 1 kHz. Les calculs de corrections radiatives et relativistes les plus précis atteignent aujourd'hui une incertitude de quelques dizaines de kHz, ce qui rend possible une expérience de spectroscopie haute résolution. Le dispositif expérimental que nous avons mis en place s'articule autour de deux axes. Le premier est le dispositif de préparation des ions et de détection de la transition vibrationnelle. Celui-ci se base sur la photodissociation sélective des ions H2+ confinés dans un piège de Paul hyperbolique. Le deuxième est une source laser accordable autour de 9.2 microns, spectralement étroite (au niveau du kHz) et stable, émettant 50 mW en régime continu. Cette source nous a permis de réaliser la spectroscopie haute résolution de l'acide formique.
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Tran, Dang Bao An. "Widely tunable and SI-traceable frequency-comb-stabilised mid-infrared quantum cascade laser : application to high precision spectroscopic measurements of polyatomic molecules". Thesis, Sorbonne Paris Cité, 2019. http://www.theses.fr/2019USPCD060.
Streszczenie:
Ce manuscrit présente le développement d’un spectromètre dans le moyen infra-rouge qui combine très haute résolution, accordabilité, sensibilité de détection et contrôle de la fréquence absolue. Un laser à cascade quantique (QCL) émettant à 10.3 μm est asservi en phase sur un peigne de fréquences optique lui-même stabilisé sur un laser ultrastable à 1.55 μm transmis par lien optique fibré à partir du LNE-SYRTE, où cette référence de fréquence est contrôlée par rapport aux étalons primaires. On obtient ainsi un QCL de largeur ~ 0.1 Hz, avec une stabilité meilleure que 10⁻¹⁵ à 1 s, et une incertitude de 4 × 10⁻¹⁴ sur sa fréquence absolue. De plus, le QCL peut être balayé largement sur 1.4 GHz sans dégradation de la stabilité et du contrôle absolu de la fréquence. Ce QCL a permis de sonder plusieurs molécules par absorption saturée dans une cellule multipassage. Nous avons démontré une incertitude statistique sur la mesure des fréquences d’absorption au niveau du kHz et une incertitude systématique inférieure à 10 kHz. Nous avons enregistré de nombreuses raies du méthanol, dont plusieurs doublets et des raies très peu intenses, dont certaines n’avaient jamais été observées. La mesure de quelques dizaines de raies du trioxane nous a permis d’en déterminer les paramètres spectroscopiques avec précision. Nous avons également enregistré la structure hyperfine d’une raie de l’ammoniac jusqu’ici non résolue. Ce dispositif est essentiel pour le projet en cours au LPL d’observer la violation de parité dans les molécules. Il permettra également de nombreuses applications de la physique atmosphérique ou interstellaire aux tests de physique fondamentale au-delà du modèle standardThe thesis consists in developing a high-resolution mid-infrared spectrometer traceable to primary frequency standards and providing a unique combination of resolution, tunability, detection sensitivity and frequency control. A quantum cascade laser (QCL) emitting at 10.3 µm is phase locked to an optical frequency comb stabilized to a remote 1.55 µm ultra-stable reference developed at LNE-SYRTE, monitored against primary frequency standards and transferred to LPL via an active noise compensated fibre link. This results in a 0.1 Hz QCL linewidth, a stability below 10⁻¹⁵ at 1 s and an uncertainty on its absolute frequency below 4 × 10⁻¹⁴. Moreover, the setup allows the QCL to be widely scanned over 1.4 GHz while maintaining the highest stabilities and precision. This QCL was used to carry out saturated absorption spectroscopy of several molecules in a compact multipass cell. We demonstrated statistical uncertaintyon line-center frequencies at the kHz level and sub-10 kHz systematic uncertainty. We have recorded several singular K-doublets and many rovibrational transitions of methanol, in particular weak transitions and weak doublets - unreported so far. Precise parameters modelling trioxaneh ave been determined with only a few tens of rovibrational transitions recorded at unprecedented accuracy. The quadrupole hyperfine structure of an ammonia transition has been resolved for thefirst time. This setup constitutes a key element for the project aiming at the first observation of parity violation in molecules currently held at LPL, and, more generally, for various fields of physics, from atmospheric and interstellar physics to fundamental physics beyond the standard model
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Bloom, Guillaume. "Combinaison cohérente de lasers à cascade quantique". Phd thesis, Université Paris Sud - Paris XI, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00678958.
Streszczenie:
Des applications comme les contre-mesures optiques nécessitent des sources puissantes et avec une bonne qualité de faisceau dans le moyen infrarouge. Le laser à cascade quantique (LCQ) est une solution prometteuse mais la puissance fournie par ces lasers n'est pas suffisante. La combinaison cohérente de plusieurs de ces sources devrait permettre de sommer leurs puissances tout en conservant la qualité de faisceau d'un émetteur unique et constitue donc une solution intéressante pour contourner l'actuelle limitation en puissance des LCQ.Nous présentons une étude théorique et expérimentale de la combinaison de faisceaux cohérente de LCQ dans une cavité externe commune utilisant un coupleur de faisceaux. La mise en phase est ici totalement passive puisque fondée sur la minimisation des pertes dans la cavité globale : on parle d'auto-organisation. Un modèle général permettant de quantifier l'efficacité de combinaison et la stabilité de telles cavités est développé. Dans un premier temps, on montre expérimentalement que la combinaison cohérente de deux LCQ dans une cavité Michelson est une solution efficace et stable. Pour combiner plus d'émetteurs il est nécessaire de concevoir des coupleurs de faisceaux dans le moyen infrarouge efficaces. Pour cela, nous avons étudié deux types de réseaux : les réseaux de phase binaire (réseaux de Dammann) et des structures à gradient d'indice composées de motifs sub-longueur d'onde. Le dessin et l'optimisation de telles structures fait appel à la théorie des milieux artificiels et nécessite l'utilisation d'un code de résolution rigoureuse des équations de Maxwell (RCWA). Enfin, la combinaison cohérente de cinq LCQ en cavité externe avec un coupleur de faisceaux est démontrée expérimentalement et la combinaison d'un plus grand nombre de LCQ est discutée. En conclusion, nous présentons une solution originale pour réaliser la combinaison cohérente passive de LCQ et ainsi apporter une solution à l'augmentation de puissance dans le moyen infrarouge.
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Becker, Cyrille. "Lasers à cascade quantique : étude physique et ingénierie de la structure quantique". Palaiseau, Ecole polytechnique, 2002. http://www.theses.fr/2002EPXX0040.
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Karr, Jean-Philippe. "Optique quantique dans les microcavités semi-conductrices. Spectroscopie de l'ion moléculaire H2+". Habilitation à diriger des recherches, Université d'Evry-Val d'Essonne, 2008. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00347825.
Streszczenie:
Je présente dans une première partie mes travaux de recherche sur les microcavités semi-conductrices en régime de couplage fort exciton-photon. Les modes propres dans ces systèmes sont des états mixtes exciton-photon appelés polaritons de cavité, qui présentent de fortes non-linéarités optiques provenant de l'interaction exciton-exciton. Je présente plusieurs applications de ces dispositifs dans les domaines de l'optique quantique (compression du bruit quantique, génération de faisceaux corrélés) des communications optiques et de l'opto-électronique de spin.J'aborde dans la deuxième partie mes activités théorique et expérimentale autour de la spectroscopie de l'ion H2+. Le but de l'expérience, qui a débuté en 2003 à l'université d'Evry, est de mesurer la fréquence d'une transition vibrationnelle à deux photons sans effet Doppler, et de la comparer à des prédictions théoriques précises pour en déduire une nouvelle détermination du rapport mp/me. Je décris les progrès des calculs de haute précision sur l'ion H2+ (niveaux d'énergie non relativistes, structure hyperfine), ainsi que le dispositif expérimental mis en place et les perspectives de l'expérience.
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Zhao, Zhen-Yu. "Spectroscopie Térahertz Ultrarapide et Propriétés Optiques Non-Linéaires de Nanostructures Semiconductrices". Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2008. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00300727.
Streszczenie:
Ce mémoire de thèse présente deux études expérimentales dans le domaine de la dynamique ultra-rapide des porteurs dans les nanostructures semiconductrices: 1. Le développement de la spectroscopie Térahertz dans le domaine temporel (THz-TDS) et son utilisation pour mesurer le gain d'un laser à cascade quantique GaAs/AlGaAs.
2. L'étude des effets de 3ième ordre en optique non linéaire dans des verres de Tellure dopés en nanocristaux AgCl, par "Z-scan" et mélange à quatre ondes (DFWM).
A cette fin, nous avons d'abord construit un montage de spectroscopie Térahertz dans le domaine temporel avec deux sources de rayonnement différentes : la rectification optique dans un cristal non-lineaire <110> ZnTe et par ailleurs des antennes interdigités photoconductrices.
Dans un premier temps, nous avons étudié la compétition entre la rectification optique, la génération de second harmonique, l'absorption à deux photons, et l'absorption par les porteurs libres. Le faisceau pompe subit une absorption à deux photons et le rayonnement THz émis est diminué, dans les conditions de focalisation, par l'absorption des porteurs libres. La réduction de l'émission THz dans les conditions de focalisation est expliquée, à condition de tenir compte des effets de la diffraction de la source THz sub-longueur d'onde.
Dans un deuxième temps, nous avons étudié les propriétés de l'émission THz dans le domaine temporel et spectral d'un nouveau type d'antenne photoconductive interdigitée basée sur du GaAs semi-isolant, en fonction de la densité de porteurs et dans une gamme de température allant de 4.2K à 270K. Les propriétés de l'émission THz sont linéaires pour de faibles tensions appliquées mais révèlent des effets de saturation pour des tensions importantes en raison de la diffusion inter-vallées de la bande Γ à la bande L. Les performances THz saturent aussi pour de fortes excitations laser à raison de l'écrantage des charges. La dynamique des porteurs à été étudiée expérimentalement pour différentes températures. Le spectre THz de l'émission se déplace vers les basses fréquences lorsque la température augmente. L'influence de la mobilité électronique est discutée.
Dans une troisième partie, après avoir comparé les deux méthodes de génération THz ci-dessus et décidé d'utiliser les antennes photoconductives comme source d'excitation pour notre montage THz-TDS, nous avons étudié le gain et les pertes d'un laser à cascade quantique (LCQ) fonctionnant à 2.9 THz. Nous avons étudié les variations du gain en fonction du courant injecté, à différentes températures. Nous avons mesuré les spectres d'amplitude et de phase THz, permettant une détermination directe du gain. A la fréquence de fonctionnement du LCQ, nous mesurons un gain de 6.5cm-1. Des effets comme le « clampage » du gain et l'affinement spectral du gain sont observés et discutés.
Pour finir, nous avons étudié le coefficient de polarisabilité d'ordre 3 des verres de Tellure (80TeO2-20Nb2O5) dopés en nanocristaux AgCl. Nous avons produit des échantillons par les techniques fonte-trempe et traitement thermique. Les résultats de la caractérisation révèlent qu'un traitement plus long augmente la tailles des nanocristaux qui donne lieu à l'apparition de plus de défauts et une plus grande déformation du réseau cristallin des nanocristaux aux interfaces avec le verre. Des états électroniques piégés apparaissent sous l'effet de la déformation de la structure cristalline. Une forte absorption à deux photons et une absorption des états électroniques piégés réduit le seuil de la limitation optique. Le coefficient polarisabilité non linéaire χ(3) augmente à cause de la formation des défauts et des états électronique localisés.
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Leuliet, Aude. "Simulation du transport dans les lasers à cascade quantique". Paris 7, 2010. http://www.theses.fr/2010PA077070.
Streszczenie:
Les lasers à cascade quantique (LCQs) sont des dispositifs semiconducteurs unipolaires dont le principe de fonctionnement est basé sur des transitions électroniques dans la bande de conduction d'un système de puits quantiques et sur l'effet tunnel résonant. Ce sont les seules sources semiconductrices cohérentes de lumière de grande efficacité pour le moyen infrarouge fonctionnant l température ambiante. Leur longueur d'onde étant indépendante de l'énergie du gap du matériau utilisé, leur gamme spectrale s'étend dans l'infrarouge de 3|im à 24 \im. La thèse -dont le but est le calcul du transport dans la région active- après une introduction sur les lasers à cascade quantique se divise en 3 parties. La première s'intéresse aux diffusions ayant lieu dans la région active et permet de déterminer quels sont les processus les plus importants. La seconde partie est une étude du comportement des LCQs sous champ magnétique, permettant d'affiner la détermination des diffusions. Enfin la dernière contient le calcul du transport, basé sur les diffusions déterminées dans les premiers chapitresQuantum cascade lasers (QCLs) are unipolar semiconductor devices based on the electronic transitions in the conduction band of a multiple quantum wells Systems and on resonant tunnelling. They are the only coherent semiconducting sources in the mid infrared to allow ambient temperature operation. The thesis aims at calculating the current in QCLs. After a short introduction on QCLs, the thesis is divided into 3 parts. The first part details the different diffusion processes taking place in the active region and determines which are the most important processes. The second part contains a study of QCLs under strong magnetic fields (up to 45 Teslas). This allow a more precise determination of processes taking place in the active region. The last part describes the calculation of the current in the QCL, based on the diffusion determined in the first chapters
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Naurois, Guy-Maël de. "Combinaison monolithique de lasers à cascade quantique par couplage évanescent". Thesis, Paris 11, 2012. http://www.theses.fr/2012PA112423/document.
Streszczenie:
Au cours des dix dernières années, les performances des lasers à cascade quantique dans le moyen infrarouge ont connu une progression rapide: Les rendements ont atteint des valeurs supérieures à 20% avec une puissance d’émission de 5W en régime continu, à température ambiante. Ces valeurs ont été atteintes notamment grâce à la diminution de la sensibilité des lasers à l’échauffement, avec des températures caractéristiques T0 s’approchant de 300K. Les performances sont donc actuellement limitées par la puissance injectée, qui est proportionnelle à la taille de la zone de gain. Les travaux de cette thèse présentent une solution innovante, consistant à combiner un réseau d’émetteurs de petites tailles de façon monolithique. Nous démontrons expérimentalement pour la première fois, des dispositifs jusqu’à 32 émetteurs de 2µm de larges, émettant en phase par couplage évanescent. De plus, nous mettons en évidences des résistances thermiques record. Ces résultats mettent en évidence la possibilité de fabriquer des sources de hautes puissances (supérieures à 10W) dans le moyen-infrarouge avec une très bonne qualité de faisceauDuring the last 10 years, the quantum cascade lasers performances in the mid-infrared have been considerably improved: the wall plug efficiency has reached values superior to 20%, with output power up to 5W in continuous wave operation, at room temperature. Those values have been achieved due to the reduction of the temperature sensibility of the lasers, with characteristic temperature T0 reaching 300K. The output power is now limited to the injected power, which is proportional to the gain region size. This thesis reports an innovating solution consisting on beam combining an array of narrow emitters, monolithically. We experimentally demonstrate for the first time devices of up to 32 emitters of 2µm width emitting in phase by evanescent coupling. Moreover, we show record thermal resistance. Those results highlight the possibility to fabricate high power sources (superior to 10 W) in the mid-infrared, with a good beam quality
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Bahriz, Michaël. "Lasers à cascade quantique et leurs applications aux cristaux photoniques". Phd thesis, Université Paris Sud - Paris XI, 2008. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00285503.
Streszczenie:
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.
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De, Naurois Guy-Maël. "Combinaison monolithique de lasers à cascade quantique par couplage évanescent". Phd thesis, Université Paris Sud - Paris XI, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00829111.
Streszczenie:
Au cours des dix dernières années, les performances des lasers à cascade quantique dans le moyen infrarouge ont connu une progression rapide: Les rendements ont atteint des valeurs supérieures à 20% avec une puissance d'émission de 5W en régime continu, à température ambiante. Ces valeurs ont été atteintes notamment grâce à la diminution de la sensibilité des lasers à l'échauffement, avec des températures caractéristiques T0 s'approchant de 300K. Les performances sont donc actuellement limitées par la puissance injectée, qui est proportionnelle à la taille de la zone de gain. Les travaux de cette thèse présentent une solution innovante, consistant à combiner un réseau d'émetteurs de petites tailles de façon monolithique. Nous démontrons expérimentalement pour la première fois, des dispositifs jusqu'à 32 émetteurs de 2µm de larges, émettant en phase par couplage évanescent. De plus, nous mettons en évidences des résistances thermiques record. Ces résultats mettent en évidence la possibilité de fabriquer des sources de hautes puissances (supérieures à 10W) dans le moyen-infrarouge avec une très bonne qualité de faisceau.
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Houver, Sarah. "Optique non-linéaire résonante dans les lasers à cascade quantique". Thesis, Paris 6, 2017. http://www.theses.fr/2017PA066046/document.
Streszczenie:
Les lasers à cascade quantiques (LCQ) sont des sources puissantes de rayonnement térahertz (THz) et moyen infrarouge (MIR). Elles reposent sur une transition intersousbande dans la bande de conduction des nanostructures semiconductrices constituant le LCQ. Ce travail de thèse présente une étude fondamentale de l'optique non-linéaire résonante dans les LCQ. La génération de mélange de fréquences entre un LCQ THz ou MIR et un faisceau proche infrarouge (NIR) est démontrée dans la cavité même du LCQ. Les non-linéarités des puits quantiques constituant la zone active du LCQ sont exaltées grâce à une excitation NIR résonante avec les transitions interbandes et grâce au photon du LCQ résonant avec les transitions intersousbandes de la structure. Ces excitations résonantes entrainent une forte exaltation de la susceptibilité non-linéaire, permettant une interaction efficace sans considération pour l'accord de phase. De précédentes études limitées aux températures cryogéniques, ont mis en évidence le mélange d'ondes résonant entre un LCQ THz basé sur GaAs et un faisceau NIR à 800 nm. Le travail novateur de cette thèse montre que le mélange d'ondes résonant dans les LCQ peut être étendu à la gamme des LCQ MIR et à des excitations de pompe dans le domaine télécom, à température ambiante. De plus, les limites liées à l'absorption sous excitation résonante ont été en partie dépassées, grâce à une géométrie en réflexion. Ce travail a permis une compréhension approfondie des non-linéarités interbandes et intersousbandes résonantes dans les LCQ, ouvrant la voie vers des applications potentielles telles que le décalage de longueurs d'ondes tout-optique pour les télécommunicationsQuantum cascade lasers (QCLs) are powerful terahertz (THz) and mid-infrared (MIR) sources. Their emission relies on intersubband transitions i.e. transitions between confined electronic states in the conduction band of these semiconductor nanostructure-based lasers.This PhD thesis presents a fundamental study of resonant nonlinear optics in QCLs. Nonlinear frequency mixing between a THz or MIR QCL photon and a near infrared (NIR) pump has been shown within the QCL cavity. Nonlinearities from the QCL active region, composed of a set of quantum wells, can be enhanced owing to a NIR excitation that is resonance with interband transitions, and with the QCL photon in resonance with intersubband transitions. These resonant excitations permit a strong exaltation of the nonlinear susceptibility, allowing an efficient interaction without considerations of phase matching. Previous studies, limited to cryogenic temperatures, have shown nonlinear frequency mixing between a GaAs based THz QCL and an 800 nm NIR beam.This thesis presents an original work highlighting that resonant nonlinear optics in QCLs can be extended to the MIR, and to telecom range pump excitations, at room temperature. Furthermore, previously limits related to absorption at resonant excitations have also been partially overcome, by proposing a geometry in reflection.As well as proving an in-depth understanding of interband and intersubband nonlinearities in QCLs, this work paves the way to potential applications such as all optical wavelength shifting for telecommunications, and the up-conversion of THz and MIR photons into thetechnologically mature NIR range
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Houver, Sarah. "Optique non-linéaire résonante dans les lasers à cascade quantique". Electronic Thesis or Diss., Paris 6, 2017. http://www.theses.fr/2017PA066046.
Streszczenie:
Les lasers à cascade quantiques (LCQ) sont des sources puissantes de rayonnement térahertz (THz) et moyen infrarouge (MIR). Elles reposent sur une transition intersousbande dans la bande de conduction des nanostructures semiconductrices constituant le LCQ. Ce travail de thèse présente une étude fondamentale de l'optique non-linéaire résonante dans les LCQ. La génération de mélange de fréquences entre un LCQ THz ou MIR et un faisceau proche infrarouge (NIR) est démontrée dans la cavité même du LCQ. Les non-linéarités des puits quantiques constituant la zone active du LCQ sont exaltées grâce à une excitation NIR résonante avec les transitions interbandes et grâce au photon du LCQ résonant avec les transitions intersousbandes de la structure. Ces excitations résonantes entrainent une forte exaltation de la susceptibilité non-linéaire, permettant une interaction efficace sans considération pour l'accord de phase. De précédentes études limitées aux températures cryogéniques, ont mis en évidence le mélange d'ondes résonant entre un LCQ THz basé sur GaAs et un faisceau NIR à 800 nm. Le travail novateur de cette thèse montre que le mélange d'ondes résonant dans les LCQ peut être étendu à la gamme des LCQ MIR et à des excitations de pompe dans le domaine télécom, à température ambiante. De plus, les limites liées à l'absorption sous excitation résonante ont été en partie dépassées, grâce à une géométrie en réflexion. Ce travail a permis une compréhension approfondie des non-linéarités interbandes et intersousbandes résonantes dans les LCQ, ouvrant la voie vers des applications potentielles telles que le décalage de longueurs d'ondes tout-optique pour les télécommunicationsQuantum cascade lasers (QCLs) are powerful terahertz (THz) and mid-infrared (MIR) sources. Their emission relies on intersubband transitions i.e. transitions between confined electronic states in the conduction band of these semiconductor nanostructure-based lasers.This PhD thesis presents a fundamental study of resonant nonlinear optics in QCLs. Nonlinear frequency mixing between a THz or MIR QCL photon and a near infrared (NIR) pump has been shown within the QCL cavity. Nonlinearities from the QCL active region, composed of a set of quantum wells, can be enhanced owing to a NIR excitation that is resonance with interband transitions, and with the QCL photon in resonance with intersubband transitions. These resonant excitations permit a strong exaltation of the nonlinear susceptibility, allowing an efficient interaction without considerations of phase matching. Previous studies, limited to cryogenic temperatures, have shown nonlinear frequency mixing between a GaAs based THz QCL and an 800 nm NIR beam.This thesis presents an original work highlighting that resonant nonlinear optics in QCLs can be extended to the MIR, and to telecom range pump excitations, at room temperature. Furthermore, previously limits related to absorption at resonant excitations have also been partially overcome, by proposing a geometry in reflection.As well as proving an in-depth understanding of interband and intersubband nonlinearities in QCLs, this work paves the way to potential applications such as all optical wavelength shifting for telecommunications, and the up-conversion of THz and MIR photons into thetechnologically mature NIR range