Spectromètre à résonance cyclotron

d’utilisation est qu’il nous permet de travailler avec de faibles intensités incidentes. Le miroir

mobile se déplace et s’arrête pendant la durée d’enregistrement du signal. Le signal est démodulé via un amplificateur synchrone externe et est ensuite envoyé au calculateur pour le calcul de la transformée de Fourier. Le mode Step Scan est en résumé une méthode qui permet de parcourir tout le spectre pas à pas. Cette méthode étant très lente (1h30 pour l’acquisition d’un spectre), le spectromètre doit être extrêmement stable durant ce laps de temps. Nous avons préparé les expériences de manière à garantir la meilleure stabilité mécanique et le minimum de bruit parasite :

 Le spectromètre FTIR est sur une table optique pneumatique (Laminar Flow Isolator), isolation des secousses du sol.

 Il est alimenté à travers un onduleur, filtre électrique.  Il travaille sous vide.

 Utilisation du Filtre optique

 Expériences durant la nuit de manière à s’affranchir au maximum des vibrations et des chocs électriques.

L'onduleur permet de « lisser » la tension électrique, c'est-à-dire supprimer les crêtes dépassant un certain seuil. En cas de coupure de courant, l'énergie emmagasinée dans la batterie de secours permet de maintenir les alimentations de l’équipement pendant un temps réduit (de l'ordre de 5 à 10 minutes). Au-delà du temps d'autonomie de la batterie, l'onduleur permet de basculer vers d'autres sources d'énergie.

Par la suite, la mesure de l'intensité totale intégrée sur la gamme 0.05 – 10 THz, le transistor est placé directement devant la fenêtre du bolomètre sans système guide d’onde supplémentaire ; Les mesures n’ont donc pas été faites sous vide.

2.2 Spectromètre à résonance cyclotron

Les expériences à 4.2 K ont été réalisées par le biais d’un spectromètre à résonance cyclotron. La radiation a été mesurée par un détecteur InSb, sélectif par application d’un champ magnétique (voir Réf⁵² pour plus de détails). La valeur de l’intensité intégrée du signal a été mesurée à champ magnétique nul. La résolution du détecteur est de 0.25 THz, la gamme de fréquence étudiée est comprise entre 0.2 et 4.5 THz. Cette gamme est limitée par la valeur du champ magnétique et par la bande spectrale du détecteur).

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Cette méthode d’analyse spectrale est basé sur l’effet de résonance cyclotron (

ω

à l’origine une méthode développée pour la mesure de la masse effective m* des porteurs. Pour le détecteur InSb, la masse effective est de m* = 0,0145m0, etla mobilité électronique est très grande, de l’ordre de 80 000 cm²/ Vs. Le facteur de qualité correspondant ωcτ, est supérieur à 1 à la température de 4.2 K et pour un champ magnétique de 1 Tesla. La fréquence cyclotron correspondante est de 2 THz, donc la gamme de fréquence accessible par ce détecteur convient parfaitement à notre étude. De plus, comme nous le verrons par la suite, l’émetteur et le détecteur sont plongés dans un bain d’hélium à 4.2 K et de ce fait, complètement isolés de la radiation du corps noir à 300 K. Nous avons un détecteur très sensible et accordable avec le champ magnétique, donc très utile pour une spectroscopie THz.

L’idée du spectromètre à résonance cyclotron a été proposée en 1980⁵³, et le spectromètre que nous avons utilisé a été construit par W. Knap⁵⁴ en 1992.

Fig.V. 6: Schéma⁵⁵ de principe du spectromètre à résonance cyclotron. Dans ce schéma, la source à caractériser est un transistor HEMT.

L’échantillon et le détecteur sont placés dans un tube en cuivre qui sert de guide d’onde, la distance entre les deux étant de 22 cm. L’ensemble se trouve au centre d’une bobine supraconductrice qui fournit un champ magnétique pouvant varier de 0 à 14 T. La bande spectrale du détecteur InSb est fonction du champ magnétique appliqué : le détecteur est accordable par le champ magnétique de la

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E. Gornik, in Narrow Gap Semiconductors Physics and Applications, edited by W. Zawadzki, Vol. 133, Springer, Berlin, 1980, pp. 160–175

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W. Knap et al., Rev. Sci. Instrum. 63, 3293, 1992

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bobine située dans la partie haute du cryostat. La bobine de la partie basse sert à l’étude de

l’émetteur en champ magnétique (non utilisée dans cette étude). Pour une lecture approfondie du principe du spectromètre à résonance cyclotron, se référer à : W. Knap et al, Rev. Sci. Instrum. 63, 3293, 1992. On utilise une détection synchrone pour mesuré le signal issu du détecteur. La température de fonctionnement est de 4.2 K. La source de rayonnement peut être un transistor, un QCL ou tout autre dispositif optoélectronique. Par cette technique de spectrométrie par résonance cyclotron on obtient directement le spectre d’émission, en ayant au préalable calibré la correspondance « champ magnétique – fréquence ». Cette méthode est complémentaire de celle de la spectroscopie à transformée de Fourier. La résolution de cette spectrométrie est faible comparé à celle du FTIR. Cependant les avantages majeurs sont la possibilité d’analyse de faibles intensités et de s’affranchir l’émission de background à 300 K. La source et le détecteur sont très proche dans un guide d’onde plongé dans le bain d’hélium, alors que le FTIR possède un trajet optique relativement long et comportant plusieurs miroirs, dans un environnement à température ambiante.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 E m is s io n , m V Fréquence, THz

Fig.V. 7: Spectre émis par un QCL mesuré sur le spectromètre à résonance cyclotron. La température est de ion 4.2 K, la tension pulsée appliquée de 6 Volt, et la largeur temporelle des impulsions de 50 µs

Le spectre du QCL, est large comparé au spectre obtenu par le FTIR. Ces deux méthodes possèdent des avantages complémentaires : meilleure résolution pour le FTIR et meilleure sensibilité pour le spectromètre à résonance cyclotron.

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