Spectre-TDS

Nous allons mesurer les spectres rayonnés par les antennes par spectroscopie résolue en temps. Différentes combinaisons entre les systèmes d’émission et de réception (émission-réception) sont possibles et nous allons uniquement développer deux types de configurations.

1.4.2.1 Antenne dipôle-Antenne dipôle

Le banc de spectroscopie résolue en temps (figure 1.1) a été mis en place avec une détection par échantillonnage photoconductif. Les antennes A₂sont utilisées pour l’émission et pour la réception de l’impulsion THz. Les puissances optiques de pompe et de sonde sont 40 mW et une tension de 10 V est appliquée sur l’antenne émettrice. Cette tension est modulée en créneau à 36 kHz pour permettre une détection synchrone. Une distance de 40 cm sépare les deux miroirs paraboliques (f=120 mm). Le rayon de ceinture (waist) est de 5 mm entre ces miroirs avec une divergence de 38 mrad. Une forme temporelle typique est illustrée à la figure 1.15. Le signal détecté est de quelques nA et le temps entre le maximum et le minimum de cette forme bipolaire est de 1,1 ps avec une résolution de 220 fs. Le rapport signal sur bruit est supérieur à 5000 avec une constante de temps de 100 ms à la détection synchrone. Nous définissons ce rapport comme la valeur du maximum (en nA) divisé par l’écart type (rms), correspondant au bruit, pendant 5 ps avant l’impulsion. Par transformée de Fourier numérique, on accède au spectre qui commence à quelques GHz et qui s’étend jusqu’à 1,2 THz avec une résolution de 2 GHz (figure 1.16). Un spectre qui s’étend sur plus d’une décade est donc obtenu en quelques minutes avec presque 40 dB de dynamique. Le maximum de densité spectrale de puissance se situe autour de 350 GHz et ne correspond pas à la fréquence de résonance attendue pour une antenne dipôle. Plusieurs groupes n’ont pas observé cette résonance [64], [107]. Les raies d’absorption observées sur le spectre proviennent de la vapeur d’eau présente sur le trajet THz. Cette propagation "atmosphérique" peut être en partie responsable de notre bande spectrale limitée : au-delà de 1 THz, les raies d’absorption de la vapeur d’eau deviennent nombreuses. Un flux d’azote peut être envisagé pour palier ce problème. La limitation de ce spectre peut provenir de plusieurs phénomènes supplémentaires. D’une part, l’impulsion optique est relativement large par rapport à d’autres groupes (100 fs au lieu de 15 fs). Le spectre est également limité par la bande passante des antennes en émission et en réception et par les propriétés du semiconducteur. Pour estimer la bande passante de l’antenne émettrice, une détection électro-optique doit être mise en place dans un proche avenir.

La résolution spectrale est définie par le délai maximum de l’enregistrement, qui lui est limité par le rapport signal sur bruit. Un compromis doit être également pris en compte entre la résolution, le rapport signal sur bruit et la rapidité de l’expérience.

44 CHAPITRE 1. SPECTROSCOPIE THZ RÉSOLUE EN TEMPS

FIG. 1.15 – Forme temporelle de référence. Des antennes dipôles ont été utilisées à la fois en émission et en réception. Les puissances optiques moyennes de pompe et de sonde sont 40 mW et la tension appliquée à l’antenne émettrice est de 10 V.

FIG. 1.16 – Spectre obtenu par transformée de Fourier. Des antennes dipôles ont été utilisées à la fois en émission et en réception. Les transitions d’absorption observées proviennent de la vapeur d’eau présente sur le trajet THz.

1.4.2.2 Antenne large ouverture-Détection électro-optique

Dans cette partie, l’émission THz est assurée par une antenne à large ouverture et la détection se fait par échantillonnage électro-optique (figure 1.7). Un polariseur de Glan-Thomson est placé sur le faisceau sonde afin d’assurer la polarisation rectiligne, et le cristal de <110>ZnTe peut être orienté par rotation sur lui-même. Le faisceau sonde, de puissance moyenne 580 µW, est focalisé dans le cristal. L’antenne est excitée par des impulsions optiques, issues de l’amplificateur régénératif, dont la puissance moyenne est de 400 mW et la tension appliquée est de 600 V. La figure 1.17 montre la forme temporelle observée. Le temps entre le maximum et le minimum est mesuré à 1,7 ps, soit 1,5 fois plus important que précédemment. Les pics secondaires principaux présents sont espacés de 7,65 ps et correspondent à un effet Fabry Pérot dans le substrat. Sur le spectre (figure 1.18), ces oscillations sont également observées avec un espacement de 140 GHz. Le spectre s’étend aussi jusqu’à environ 1,2 THz avec un maximum autour de 130 GHz.

46 CHAPITRE 1. SPECTROSCOPIE THZ RÉSOLUE EN TEMPS

FIG. 1.17 –Forme temporelle de référence. Une antenne à large ouverture est utilisée en émission. La puis-sance optique moyenne est de 400 mW pour une tension de 600 V. La forme temporelle est échantillonnée par une détection électro-optique pour l’antenne à large ouverture (trait plein). La forme temporelle de la figure 1.15 est superposée (pointillé).

FIG. 1.18 – Spectre obtenu par transformée de Fourier des formes de la figure 1.17. Une antenne à large ouverture et un cristal électro-optique sont respectivement utilisés pour l’émission et la réception.

1.4.2.3 Comparaison des formes temporelles et spectres enregistrées

Sur ces figures 1.17 et 1.18 sont superposées (en pointillés) les formes précédentes enregistrées avec des antennes dipôles. Les spectres ont environ la même dynamique, mais le spectre de l’antenne dipôle est plus plat autour de 350 GHz. Ce résultat est probablement dû aux matériaux utilisés. Le semiconducteur de l’antenne à large ouverture est le Si-GaAs, dont le temps de vie des porteurs de charges est plus long que pour le semiconducteur de l’antenne dipôle. L’antenne à large ouverture rayonne principalement à basse fréquence comparée à l’antenne dipôle. Comme nous avons vu pré-cédemment (partie 1.3.2), un long dipôle favorise l’émission basse fréquence. Dans le cas extrême de l’antenne à large ouverture, ce résultat est également vérifié. La durée de la forme temporelle générée par l’antenne à large ouverture est plus courte que celle rayonnée par l’antenne dipôle, et correspond donc à une étendue spectrale (à 3 dB) plus étroite. La comparaison des antennes émettrices n’est pas aisée puisque le système de détection, les semi-conducteurs, et les parcours THz ne sont pas identiques. De plus, les sources optiques d’excitation optique, ainsi que les distances laser-émetteur sont différents. Cependant, du point de vue de la bande passante, le banc de spectroscopie résolue en temps avec les antennes dipôles est plus adapté à des études spectroscopiques et nous exploiterons cette configuration dans toute la suite. Une des perspectives du banc est l’utilisation conjointe d’une antenne dipôle et d’un échantillonnage électro-optique.