Etude de lasers à cascade quantique par spectroscopie térahertz dans le domaine temporel

HAL Id: tel-00601157

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00601157

Submitted on 16 Jun 2011

HAL is a multi-disciplinary open access

archive for the deposit and dissemination of

sci-entific research documents, whether they are

pub-lished or not. The documents may come from

teaching and research institutions in France or

abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est

destinée au dépôt et à la diffusion de documents

scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,

émanant des établissements d’enseignement et de

recherche français ou étrangers, des laboratoires

publics ou privés.

Dimitri Oustinov

To cite this version:

Dimitri Oustinov. Etude de lasers à cascade quantique par spectroscopie térahertz dans le domaine

temporel. Physique Atomique [physics.atom-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2011.

Français. �tel-00601157�

THÈSE DE DOCTORATDE L'UNIVERSITÉ PARIS VI Spé ialité : S ien e des Matériaux

présentée par DimitriOustinov

pour obtenir legrade de DOCTEUR de l'UNIVERSITÉ PARIS VI

Sujet de la thèse :

Étude de lasers à as ade quantique

par spe tros opie térahertz dans le domaine temporel

Soutenue le 24 Mars 2011 devant le jury omposé de :

Prof.MariaChamarro (Présidente du jury) Prof.Jean-Louis Coutaz (Rapporteur) Dr.Jean-François Lampin (Rapporteur) Prof.CarloSirtori (Examinateur) Dr.Roland Teissier(Examinateur) Dr.Sukhdeep Dhillon (Membre invité) Prof.JérmeTignon (Dire teur de thèse)

Sujet:Étudedelasersà as adequantiqueparspe tros opieTHzdansledomaine temporel Thèseréalisée au Laboratoire Pierre Aigrain, Département de Physique de l'É ole Normale Supérieure.

Résumé :

Ce travail présente une étude de lasers à as ade quantique à l'aide de la spe tros opie THz dansledomaine temporel.Cettete hnique expérimentale onsisteen lamesurede hamps éle triquesTHztransmisparuné hantillon,permettant d'étudierdeseetsàlafoisstatiqueset dynamiques dans les semi ondu teurs. Les lasers à as ade quantique THz sont des stru tures multipuits onsidérées omme des dispositifs prometteurs pour ombler le manque de sour es dansl'infrarouge lointain.

Dansune premièreétude,statique,nousavonsmesurélespe tredugainde diérents é han-tillonsetavonspuidentier lestransitionséle troniquesintersousbandesresponsablesdugainet despertes.Nousavonsaussi onstatéun rétré issement du spe tre dugaindans es lasersdont nousexpliquons l'origine.

Dans une se onde étude, dynamique, nous avons ee tué une ommutation utra-rapide du gaindansunlaserà as adequantiquean d'exploitersonrégimetransitoirepour amplierune onde THz.Le laserprésente alors un gainélevé sansêtre limitéauxpertes totales au-dessusdu seuil.

Finalement,unetroisièmeétudedynamiquenouspermetdemesurerl'émission ohérented'un laserTHzpar spe tros opiedansledomaine temporel.Un ontrle éle triquedudé len hement d'un laser au-dessus du seuil, et un amorçage de l'émission par une impulsion THz à spe tre large nouspermet de ontrlerla phasedu hampéle trique émispar lelaser.

mots lés :

spe tros opie dans le domaine temporel, transition intersousbandes, laser à as ade quantique, térahertz, infrarouge, gain, ampli ateur, ommutation dugain.

Subje t : Studyofquantum as ade lasersusing terahertz time-domain spe tros opy Thesis realized at LaboratoirePierre Aigrain, Département de Physique de l'É ole Normale Supérieure.

Abstra t :

Thisthesispresentsastudyof quantum as ade lasersusingterahertz time-domain spe tro-s opy(TDS). TDS is an experimental te hnique whi h onsistsin dete ting THz ele tri elds transmittedthroughasample,oeringthepossibilityofstudyingbothstati anddynami ee ts insemi ondu tors. THz quantum as ade lasers are multiple quantum well stru tures that are onsideredaspromising devi es to llthegap of far infrared emitters.

Inarstsetofstati experiments,we have measuredthegainspe traofseveralsamples and were able to identify the intersubband ele troni transitions giving rise to gain and losses. We have also observed andexplained theorigin of aspe tralgain narrowing inthose lasers.

In thedynami experiments we swit hed the gain of a quantum as ade laser on to benet from its non-stationary regime inorder to amplify a THz wave. In this regime the gain of the laserishighand not lamped at thetotal losses above threshold.

Finally, in a third set of dynami experiments we measure the oherent THz emission of a laserusingTHztime-domainspe tros opy.The ontrolofthephaseofthelaserwasa hieved by inje tionseeding itwitha broadbandTHz pulse.

key words :

Time-domainspe tros opy, intersubband transition,quantum as ade laser, terahertz, infrared, gain,amplier, gainswit hing.

Remer iements

Tout d'abord je tiens à remer ier Jean-Louis Coutaz et Jean-François Lampin pour avoir a epté d'être rapporteurs de ma thèse. Leur le ture du manus rit et les dis ussions lors de la soutenan eont permis de larier ertains pointsde edo ument.

Je remer ie également Maria Chamarro, CarloSirtori etRoland Teissierd'avoir a epté de faire partie demonjury de thèseen tant qu'examinateurs.

Jesuisre onnaissantauxdire teursduLaboratoirePierre Aigrain(LPA):ClaudeDelalande etJean-Mar Berroir, dem'avoir a ueilliauLPA.

Ledo torat n'estjamaisune expérien esolitaire. Jedoislesu èsde estroisannéespassées dansl'équipe de spe tros opie THz ultra-rapide auxbonnesintentions, au professionnalisme et aux ompéten esd'ungrandnombre de personnes.

Toutd'abordje tiensà saluerlapertinen edes hoixstratégiquesdemondire teur dethèse JérmeTignon.J'aipuappré iersa apa itéà omprendrerapidementlesdi ultésetlespoints forts et faibles des diérentes expérien es que nous avons menées au laboratoire. Grâ e à son talent et sonexpérien e, il a su orienter judi ieusement mes travaux et eux du groupe durant es3 années.

D'autre part, j'admire le fait que Jérme ait regroupé des gens ave des prols extrême-ment variés et ri hes au sein du groupe. J'ai ainsi eu la han e de travailler dans une équipe internationale agréableetdevivre une expérien ehumainement trèsenri hissante.

Je suis personnellement très re onnaissant à Jérme de ne pas m'avoir laissé seul fa e aux di ultésdelathèse,etd'avoirveilléàmonen adrement,que esoitenmepermettantd'obtenir des résultats pendant la thèse, en prenant le temps de orriger mon manus rit de thèse ave soin ou en ore en me préparant à la soutenan e. J'estime ainsi avoir béné ié d'une formation do toralede grandequalité.

Je tiens également à saluer le travail etle professionnalisme de Sukhdeep Dhillon, mon o-en adrant de thèse. Sukhy m'a initié au travail expérimental et a a tivement en adré le déve-loppement des expérien es de spe tros opie sur les lasers à as ade quantique. J'estime avoir beau oupappris etgagnéene a ité en travaillant à ses tés. Tout ommeJérme, Sukhyne m'apaslaissé seulfa eauxnombreusesdi ultésexpérimentalesets'estbeau oupinvesti dans

Une personne au sein du groupe mérite une re onnaissan e parti ulière dans e manus rit : NathanJukam,postdo torantquej'ai toyépresquetouslesjourspendant es3années.Nathan est un her heur omplet et impressionnant, qui est par-dessus tout un ollègue de laboratoire trèsagréable. Je suis très honoréd'avoir faitmathèse en ollaboration ave lui.

J'aiaussieula han edetravaillerave d'autrespersonnes ompétentesauseindugroupede spe tros opie THz ultra-rapide. Je tiens ainsi à remer ier Rak hanok Rungsawang, postdo to-rantetravailleuseetpersévérantequiapassédelonguesheuresaulaboratoiresurlesexpérien es d'amorçagede l'émissiond'unlaserà as ade quantiqueetsurun autreprojetde spe tros opie THzsous hampmagnétique.JulienMadéoaétéundo torantet ollèguesympathique,toujours disponible pourdonner un oup de mainsur lesmanips.

Nos travaux de re her he dans l'équipe de spe tros opie THz ultra rapide n'auraient pas pu aboutir à de bons résultats sans le on ours de nosnombreux ollaborateurs. Le groupe de CarloSirtori au laboratoire MPQ nousa beau oup aidés grâ e à desdis ussions fru tueuses et lafournitured'é hantillons. Ilenvademême pour legroupedeRafaelleColombelliàl'IEF,nos ollaborateursbritanniquesE.H.Lineld etA.G. Daviesde Leeds,etP.FillouxetX.Mar adet deThalès.

Il mesemble essentiel desouligner la han e quej'aieu detravailler dansunenvironnement ri he en ompéten es au Laboratoire Pierre Aigrain. En dehors des ompéten es a adémiques, j'ai été impressionné par la disponibilité et ompéten e des te hni iens, éle troni iens, servi e ryogénie,personneldelabibliothèquedephysique etservi esadministratifs.Celaatoujoursété agréable d'interagir ave tous es servi es du laboratoire, et notre équipe etmoi-même devons beau oupautravailde espersonnesquinousontdépannésplusd'unefoisetontrésolu ertains problèmeste hniquesqui né essitaient une expertise poussée.

À etégard,j'aimerais haleureusementremer ierleséle troni iens:David Darson,Philippe Pa eetAnneDenispourleursnombreux onseilsdansl'optimisationdurapportsignalsurbruit, et pour leur travail quant à la on eption de nos déte teurs. Une équipe d'expérimentateurs ne serait rien sans la ontribution essentielle de te hni iens talentueux omme Pas al Morn, Sylvain Pledel ou Jean-Charles Dumont, qui ont onçu et fabriqué des piè es sur mesure pour nosmontagesdansdesdélaissouventtrès ourtsetnousontaidéset onseilléspourlesopérations te hniquesdéli ates. Notre équipe doit également beau oupà ladisponibilitéet àla qualité du travail de Didier Courtiade, David et Cyrill Le Gallo, qui nous ont souvent dépannés et ont ontribué à l'optimisation de notresalle demanips.

quasi quotidiennement d'utiliser de l'He liquide, e qui m'a amené à re ourir régulièrement au servi e ryogénie. La gentillesse et la bonne humeur d'Olivier Andrieux, Thierry Desvignes, et François-RenéLadan font de eservi e ryogénie unlieu où ilest agréable d'aller.

Finalement, j'aimerais remer ier lepersonnel de labibliothèque de physique qui a toujours ététrèsa ueillantetdisponible.Lese rétariatdulaboratoireaaussiétéunlieuoùjemerendais volontiers grâ eà lasympathied'Anne MatignonetFabienneRenia.

Ces trois années de thèse m'ont permis de me lier d'amitié ave de nombreux do torants, postdo torants et stagiaires ave qui j'ai partagé de bons moments au laboratoire ainsi qu'à l'extérieur. Je les remer ie tous pour la bonne ambian e qu'ils ont réée et pour leur soutien moral dans les moments plus di iles de la thèse : Ali e, Antoine, Cyrielle, Elisabeth, Fabien, Florent, François-Régis, Gustave, Hai Son, Jean, Jeanne, Julien, Lola, Mi hele, Nathan, Niall, Ni olas,Nok, Pierri k, Ri ardo, Simon,Thomas, Timothée, Trung, Wolf.

Mes derniers mots de remer iements vont à mes parents qui m'ont toujours soutenu dans mes hoix et m'ont permis de poursuivre ma passion pour les s ien es jusqu'au do torat. J'ai toujours pu ompter surleursoutien pendant es3 années.

Table des matières

1 Introdu tion générale 1

2 Spe tros opie THz dans le domaine temporel 5

2.1 Lasers femtose ondesà modesbloqués . . . 5

2.2 Émetteurs térahertz . . . 6

2.2.1 Re ti ation optiquedansun ristal non entrosymétrique . . . 6

2.2.2 Antennes photo ondu tri es . . . 7

2.3 Déte tion ohérente THz . . . 12

2.3.1 Antennes photo ondu tri es pour ladéte tion ohérente . . . 12

2.3.2 Prin ipe de fon tionnement de ladéte tionéle tro-optique . . . 13

2.3.3 Montagede déte tionéle tro-optique . . . 14

2.3.4 Choix du ristal de déte tion . . . 15

2.3.5 A ord dephase dansle ristal . . . 15

2.4 Prin ipe d'une expérien ede spe tros opiedansledomaine temporel . . . 16

2.5 L'é hantillonnage en temps équivalent . . . 17

2.6 Montageexpérimental . . . 19

2.6.1 Composants optiques pour l'IR . . . 20

2.6.2 Système d'a quisition desdonnées . . . 20

2.6.3 Absorption THz par l'airambiant. . . 21

2.6.4 É hosTHz . . . 23

2.7 Conversiondu signalmesuréen hamp éle trique . . . 23

2.8 Rapportsignalsur bruit . . . 24

2.8.1 Choix de lafréquen ede modulation . . . 25

2.8.2 Choix etutilisation desphotodiodes . . . 26

2.8.3 Comparaison au bruitde grenaille . . . 26

2.9 Con lusion. . . 29

3.1.1 Leslasers àdiodessemi- ondu tri es . . . 31

3.1.2 Lestransitions intersousbandes . . . 33

3.2 Prin ipe defon tionnement d'unlaserà as ade quantique . . . 36

3.2.1 Étatde l'artdeslasers à as ade quantique . . . 37

3.2.2 Propriétés générales deslasersà as ade quantique . . . 38

3.2.3 Stru tures à as ade quantique étudiées . . . 40

3.2.4 Propriétés spé iques auxlasersà as ade quantiqueTHz . . . 43

3.2.5 Di ultés asso iéesauxLCQ THz . . . 45

3.3 Gain dansunlaserà as ade quantique . . . 47

3.3.1 Expressionthéorique du gainintrinsèque . . . 47

3.3.2 Gain modal . . . 48

3.3.3 Dynamiquedu gaindansles lasers . . . 48

3.4 Déroulement de l'étudedesLCQ . . . 49

4 Spe tros opie du gain dans les LCQ en régime stationnaire 50 4.1 Étudesantérieures du gaindansles lasers . . . 51

4.1.1 Te hniques demesure dugain . . . 51

4.1.2 Avantagesde laspe tros opieTHz dansledomaine temporel . . . 52

4.2 Proto ole expérimental . . . 53

4.2.1 É hantillons étudiés . . . 53

4.2.2 Matériel utilisé . . . 53

4.2.3 Prin ipe dela mesureduspe tre du gain. . . 56

4.3 Mesuresee tuées surlelaser" lié- ontinuum "ART217 (2.1 THz) . . . 60

4.3.1 Cara térisation LJVdu laserART 217(2.1 THz) . . . 61

4.3.2 Spe tros opie THzdansle domaine temporel appliquée aulaser ART217 (2.1THz) . . . 62

4.3.3 Étude du spe tredu gaindu laserART 217(2.1 THz) . . . 63

4.4 Simulations du gainmodaletde lastru ture debande dansle laserART217 . . 68

4.4.1 Simulations du gainmodaldu mode plasmon . . . 68

4.4.2 Simulation dela stru turede bande . . . 70

4.4.3 Con lusions . . . 74

4.5.2 Spe tros opieTHzdansledomaine temporelappliquéeau laserL234 (3.1

THz) . . . 76

4.5.3 Étude duspe tre dugain dulaserL234 (3.1 THz) . . . 77

4.5.4 Absorption sousle seuil . . . 79

4.6 Simulations du gain modalet de la stru ture de bande dans le laser LO-phonon L234 (3.1 THz) . . . 81

4.6.1 Simulations dugainmodal. . . 81

4.6.2 Simulations dela stru turede bande . . . 81

4.6.3 Con lusions . . . 84

4.7 Comparaison deslasers "lié- ontinuum" ave lelaserLO-phonon . . . 84

4.8 Con lusions générales etperspe tives . . . 86

5 Commutation du gain dans un LCQ 87 5.1 Proto oleexpérimental . . . 88

5.1.1 LCQ muni d'uninterrupteuroptique . . . 89

5.1.2 Matériel utilisé . . . 91

5.1.3 Déroulement de l'expérien e . . . 92

5.2 Cara térisation de l'é hantillon L 182 enrégime stationnaire . . . 93

5.3 Cara térisation de l'é hantillon L 182 enrégime non stationnaire . . . 94

5.3.1 Premier passage par la avitédu LCQ . . . 94

5.3.2 Passagesmultiples par la avitédu LCQ . . . 97

5.3.3 Durée de fon tionnement del'interrupteur Auston . . . 98

5.3.4 Dynamique de l'interrupteur Auston . . . 98

5.4 Con lusions etperspe tives . . . 100

6 Contrle de la phase du hamp THz émis par un LCQ 102 6.1 Rappelde laproblématique . . . 103

6.2 Proto oleexpérimental . . . 103

6.2.1 Prin ipe de l'expérien e . . . 104

6.2.2 Matériel utilisé . . . 105

6.3 Expérien esd'amorçage d'unLCQ par desimpulsions THzexternes . . . 109

6.3.1 Cara téristique LJV . . . 110

6.4.1 Évolution du hamp THz transmisen fon tion de l'amplitude de l'impul-sion THzexterne . . . 114 6.4.2 Mesure delapuissan e THzémise par lelaser . . . 117 6.5 Inuen ede laforme del'impulsionRFsur le hamps THz mesuré . . . 118 6.5.1 ChampsTHz mesuréave une impulsionRFrégulière appliquéeau LCQ . 118 6.5.2 Cal ulde ladurée durégimetransitoire . . . 120 6.5.3 Comparaison àlatransmission parun laserpolarisé au-dessus duseuil . . 121 6.6 Évolutiondu spe tredu hampTHz transmispar l'é hantillon . . . 122 6.6.1 Ampli ation d'impulsionsTHzgénérées lo alement . . . 124 6.7 Con lusions etperspe tives . . . 127

7 Con lusions générales et Perspe tives 129

A Feuilles de roissan e des é hantillons ART 217 (2.1 THz) et L234 (3.1 THz)131 A.1 Feuille de roissan ede l'é hantillon ART217 (2.1 THz) . . . 131 A.2 Feuille de roissan ede l'é hantillon L234(3.1 THz) . . . 133

B Spe tre du gain des é hantillons TRT 295 (2.9 THz) et V 298 (2.6 THz) 134 B.1 Cara téristiques LJVdesdeuxé hantillons . . . 134 B.2 ChampsTHz mesurés parspe tros opiedans ledomaine temporel . . . 135 B.3 Largeur àmi-hauteur desspe tresdu gain . . . 136 B.4 Simulationdumodeplasmonetdugainmodaldanslesé hantillons TRT295(2.9

THz) etV298 (2.6 THz). . . 137

C Feuille de roissan e de l'é hantillon L 182 (2.4 THz) 138

D Cir uit éle tronique générant les signaux radiofréquen e 140

Table des gures

1.1 Représentions hématiqueduspe treéle tromagnétiqueave unemiseenéviden e desfréquen es,énergies,températuresetlongueursd'ondeasso iéesà haquetype de rayonnement. Une équivalen eentre es diérentsparamètres estdonnéepour 1 THz. . . 2

2.1 S hémad'uneantennephoto ondu tri eàgéométrieplane, onstituéed'uneanode etd'une athode espa ésde quelquesdizainesde mi rons. . . 8 2.2 a) Exemple de hamp THzmesurépar spe tros opieTHz. b)Simulation du

ou-rant photo réédansune antenneà géométrie planepar lefais eauNIRfsutilisée à partird'un modèle deDrude-Lorentz [47 ℄( ourbe enpointillés)etdérivéede e ourant,proportionnelle au hampTHz ( ourbe rouge). . . 10 2.3 a)Vues hématique dudessusd'uneantennephoto ondu tri eavantledéptd'or

pour éviter l'interféren e destru tive entre les hamps de signes opposés générés entreles deuxéle trodes. b)Vue s hématiquedu dessusd'uneantenne photo on-du tri eave undéptd'or. )Vueen oupelatéraled'uneantenne photo ondu -tri e. . . 11 2.4 Représentation s hématique d'unsystèmede déte tionéle tro-optique. . . 14 2.5 Représentation s hématique du déphasage entre impulsion NIR fs et impulsion

THz à latraversée d'un ristal de ZnTe en raison de ladiéren e entrela vitesse de groupe de l'impulsionNIRfsetde lavitessede phasede l'impulsionTHz. . . 16 2.6 Représentation s hématique del'é hantillonnage en tempséquivalentd'un hamp

THz. . . 18 2.7 Représentions hématiquedenotremontagedespe tros opieTHzdansledomaine

temporel. . . 19 2.8 a)ChampTHztransmisparl'airambiant.b)Spe tredu hampTHza hésurla

gure a), obtenu en ee tuant latransforméede Fourier de e hamp. )Champ THz transmis par l'en einte purgée à l'air se . d) Spe tre asso ié au hampTHz

2.9 ChampTHztransmisparlesfenêtresd'un ryostatutilisépourrefroidirles é han-tillons étudiés. Cettetra e temporelle faitapparaître les é hos dus auxinterfa es traversées dansl'antenne photo ondu tri e etdansle ryostat. . . 22 2.10 S hémadu ir uit éle tronique de labalan e dephotodiodes. . . 24 2.11 a) Dépendan een fon tionde lafréquen edemodulationde l'antenne

photo on-du tri edumaximumdesignalTHzmesuré, etdubruit.b)Dépendan edubruit et du rapport signal sur bruit en fon tion de la fréquen e de modulation appli-quée à l'antenne et servant de référen e à la déte tion syn hrone. Un trait vert en pointillés indiquela fréquen eà laquellel'antenne aété modulée au ours des expérien es présentéesdans e manus rit. . . 25 2.12 a)Comparaisonduspe tre dubruitdelabalan ede photodiodesave lebruit de

grenaille al uléenadditionnant touteslessour esde bruitquantique. b)Spe tre du bruit en sortie de la balan e de photodiode pour une seule diode é lairée ( ourbes verte etrouge) ou lorsque les deuxdiodessont é lairées( ourbe noire). Une résistan e de 1 k

Ω

est rajoutée au ir uit de transimpédan e. Elle évite la saturation de l'ampli ateur lorsqu'une seule photodiode est é lairée par le la-ser. L'intervalle délimité par lestraits verts indique lesfréquen es de modulation utilisées dansle adredesexpérien esmenéesau laboratoire. . . 28

3.1 a) S héma du diagramme de bandes dans l'espa e des phases d'une diode laser semi- ondu tri e à puits quantique ( entré sur la vallée

Γ

). b) Densité d'états d'unediode laserà puitsquantique.. . . 32

3.2 Représentation des fon tions d'onde éle troniques dans un puits quantique de GaAs/AlGaAs al ulées numériquement. . . 34

3.3 a)Représentations hématiquedesousbandesd'energiedelabandede ondu tion d'un semi ondu teur dans l'espa e des phases. b) Densité d'état asso iée à des transitions intersousbandes. . . 36

3.4 Représentation desmodules au arré des fon tions d'onde éle troniques dans un superréseauissusd'un al ul numérique. Onvoitapparaître desminibandes. . . . 38

3.6 Représentationdelastru turedebandedulaserà as adequantique"lié- ontinuum" ART217 (2.1 THz),faisant apparaître lesmodulesau arré desfon tionsd'onde éle troniques al ulées numériquement. . . 41

3.7 Stru turedebandedulaseràdépopulationparémissiondephononLOL234.Une périodeest en adréepar un re tangle enpointillés. . . 42

3.8 Représentation s hématique d'unruban laserà as ade quantique. Lemode plas-mon servant à propager l'onde éle tromagnétique dans leguide estreprésentéen pointillés rouges. . . 44

3.9 Représentations s hématiques des prin ipaux mé anismes de relaxation non ra-diatifspouvant intervenirdansleslasers à as adequantiquesurdesdiagrammes de dispersion. a) ÉmissiondephononsLOdepuis leniveauex ité et fondamental d'une transition THz. La è he dorée représente la transition radiative. b) A -tivation thermique de l'émission d'un phonon LO. La è he rouge représente la transitioninduiteparex itationthermique.Laè hevertelarelaxationpar émis-siondephononLO. )Intera tionséle tron-éle tron(è hesmarrons)etex itation thermique (è hesrouges). . . 46

4.1 Représentation s hématique dumontageexpérimental permettantd'ee tuer une aratéristique ourant-tension(JV)etunemesuredelapuissan elumineuseémise par leLCQ (LV). . . 55

4.2 Représentation s hématique de la position du ruban laser vu à travers l'ori e per édansune plaque métallique apposéeà l'é hantillon servant àéviter un ou-plagedel'ondeTHzdansdesmodestransversesàfortre ouvrementave lesubstrat. 56

4.3 Représentations hématiquedesdeuxte hniquesdemodulationutiliséespour me-surerlesignaltransmisparlesé hantillonslaser.a)AntenneetLCQsontmodulés à la même fréquen e et ont même rapport y lique. b) Le LCQ estmoduléà un rapport y liqueetàune fréquen e égauxà lamoitié de eux del'antenne.. . . . 57

4.4 a)Champ THztypiqueémisparnotreémetteurTHzetb)satransforméedeF ou-rier. Les traits verts en pointillés indiquent les fréquen es d'émission des é han-tillons laser étudiés lors de nos expérien es. Des ourbes gaussiennesmodélisant

4.5 Représentationduprin ipedemesuredes omposantesampliéesetabsorbéespar un é hantillon laser dans une expérien e de spe tros opie THz dans le domaine temporel. a) Champ THz généré par l'antenne. b) Spe tre du hamp généré par l'antenne. ) Champ THz mesuré en sortie du LCQ. d) Spe tre du hamp THz transmispar leLCQ. . . 60 4.6 Cara téristiques de lumines en e (LJ) et ourant-tension (JV) de l'é hantillon

ART217 (2.1THz).a) Cara téristiques del'é hantillon ART217(2.1THz) pour une température de 4 K. b) Dépendan e des ara téristiques LJ et JV du laser ART 217 (2.1 THz) en fon tion de la température. Les traits verts en pointillés marquent les tensions de polarisation pour lesquellesdes donnéesexpérimentales sont présentées dans e hapitre. . . 61 4.7 a) Champs THz servant de référen e( ourbe noire) ettransmis par l'é hantillon

ART 217 (2.1 THz) polarisé au-dessus du seuil. b) Transformée de Fourier du signal de référen e etdu signal transmis par le LCQ polarisé au-dessus du seuil. ) Spe tre du gain extrait d'une mesure ee tuée pour une densité de ourant inje téedansleLCQ de 118 A/ m

2

. . . 62 4.8 a) Champs THz transmis par l'é hantillon ART 217 (2.1 THz) pour 8 tensions

depolarisationappliquéesdiérentes,identiéesparlesdensités de ourant inje -tées orrespondantes. b) Transformée de Fourier des hamps THz transmis pour le régime de lumines en e sous le seuil. ) Transformée de Fourier des hamps THztransmisparl'é hantillonlorsque edernierestdanslerégimede fon tionne-mentlaser.d)TransforméedeFourierdes hampsTHzmesuréspourdes ourants inje téssupérieurs aux ourants quidésalignent lastru ture duLCQ. . . 64 4.9 Spe tres dugain del'é hantillon ART217 (2.1THz) pour diérentes densités de

ourant inje tées. a) Spe tres du gain sous le seuil. b) Spe tres du gain dans le régime laser. ) Spe tres du gain au-delà de la densité de ourant désalignant la stru ture duLCQ. . . 65 4.10 a) Cara téristiques (LJV) de l'é hantillon ART 217 (2.1 THz). b) Évolution du

gainmodaletde lalargeurà mi-hauteurduspe tredugaindel'é hantillonART 217 (2.1 THz) en fon tion de la tensionde polarisation appliquée. Les zones o-lorées vertes représentent les tensions de polarisation inférieures au seuil laseret les zones marronsaux tensions de polarisation pour lesquellesles stru turessont

4.11 Représentationdu hampéle triqueau arré(modeplasmonTMsurlequel l'é han-tillonART217 (2.1THz)se oupleau-dessusduseuil)en fon tionde laposition. Les pertes dues aux porteurs libres ainsi que le fa teur de re ouvrement ave la région a tive sontdonnés. La ontribution dumétalsitué souslesubstratpour le onnement dumodeesti i priseen omptedufaitdelagrandelongueurd'onde du laser. . . 69 4.12 Tableauré apitulatifdesdiérentesvaleursdegainmesuréeset al uléespourles

trois é hantillons " lié- ontinuum "étudiés. . . 70 4.13 Évolution de la diéren e d'énergie entre niveau inje teur et niveau ex ité dans

les simulations de lastru ture de bande en fon tion de latension de polarisation appliquée au LCQ ART217.. . . 71 4.14 a),b)et )Stru turedebandeobtenueenrésolvantl'équationdeS hrödingerpour

diérentestensionsdepolarisationappliquéesauLCQ ART217 (2.1THz).d),e) etf)S hématisation delapositionduniveau ex itépar rapportauxmini-bandes pour les trois tensions de polarisations représentées, ainsi qu'une simulation du spe tre du gain par des gaussiennes entrées sur les fréquen es des transitions identifées par les simulations en a), b) et ), de largeur à mi-hauteur égale à 0.2 THz, etd'amplitude proportionnelleà lafor ed'os illateur. . . 72 4.15 Cara téristiques de lumines en e (LJ) et ourant-tension (JV) de l'é hantillon

laser LO-phonon L234. Les traits verts en pointillés marquent les tensions de polarisationétudiées sur eté hantillon. . . 75 4.16 a) Champs THz transmispar l'é hantillon L234 (3.1 THz) pour diérentes

den-sités de ourant inje téesdans leLCQ. Le trait gris en pointillé met en éviden e un hangement delaphasedu signaltransmislorsdu passageau-dessus duseuil, traduisantunpassaged'une avitéabsorbanteàune avitéampli atri e.b)T rans-formées de Fourier des hamps THz transmis par le LCQ polarisé sous le seuil. ) Transformées de Fourier des hamps THz transmis par le LCQ en régime de fon tionnement laser. . . 77 4.17 a) Cara téristiqueLJVdulaserLO-phonon L234.b) Représentation dugain

mo-dal à3.1THz dulaserL234 en fon tion du ourant inje té dans eté hantillon. 78 4.18 a) Spe tres du gain de l'é hantillon LO-phonon L234 pour 3 densités de ourant

4.19 a) Spe tres du gain sous le seuil de l'é hantillon L234 (3.1 THz), mettant en éviden e desabsorptions à basseet hautefréquen e. b) Variation des oe ients d'absorptionenfon tiondeladensitéde ourantinje téesousleseuil. )Dé alage en fréquen e des pi s d'absorption basse et haute fréquen e en fon tion de la densitéde ourant inje téedansleLCQ sous leseuil. . . 80 4.20 a),b)et )Stru turesdebandessimuléespourtroistensionsdepolarisation

appli-quéesàlastru turedel'é hantillon L234. ),d)ete) Représentation s hématique destransitionséle troniquesentreniveauxinje teur,ex ité,fondamentaletéje teur. 82 4.21 Courbesdeniveauxdesfor esd'os illateurentrediérentsniveauxd'énergies

pré-sents dansl'é hantillon L234.L'axe desabs isses représente latensionde polari-sation etl'axe desordonnées l'espa ement enénergie entre niveaux. Le trait vert représente lapositiondu seuillaserà 12.5kV/ m.. . . 83 4.22 a)Courbed'évolutiondugainmodalà2.1THzdulaserART217.Leslignesrouges

représentent l'extrapolation linéraire du gain en-dessous et au-dessus du seuil. Le trait bleu en pointillés orrespond à une représentation de l'allure probable d'évolutiondugainréel en régimelaserenl'absen e de saturation.b) Lesmêmes informationsrelatives àl'é hantillon L234 émettant à3.1THz. . . 85 4.23 Tableau ré apitulatif desdiérentes valeursde gainintrinsèque estiméespour les

lasersprésentés dans e hapitre. . . 85

5.1 Représentation s hématique des é helles de temps intervenant dans l'expérien e. En vert et rouge, les signaux éle triques servant à polariser l'antenne photo on-du tri e etle LCQ. En bleu lair, les impulsions THz généréespar l'antenne. La duréedurégimetransitoireaété al uléeetmesuréegrâ eauxrésultatsprésentés dansle hapitre 6. . . 89 5.2 a) Représentation s hématique de l'é hantillon lasermuni de l'interrupteur

Aus-ton,etb) ir uit éle triqueéquivalent de e dispositif. . . 90 5.3 Représentation s hématique du dispositif expérimental utilisé pour étudier un

LCQ en régime non stationnaire. À la diéren e du dispositif présenté au ha-pitre 4 il yadeux lignes àretard dont l'une sert à faire varier letemps d'arrivée dufais eauNIRex itant l'interrupteurAuston parrapportàl'onde THzissuede l'antenne. Le trajet optique de e fais eau est représenté sur le s héma par des

5.4 Cara téristiques ourant-tension (JV) et ourbes de puissan e lumineuse émise (LJ) de l'é hantillon L 182 utilisé dans l'expérien e présentée dans e hapitre. Le rond noir indique ladensité de ourant à la laquellele LCQ est porté sous le seuil lorsque l'interrupteur Auston est ina tif.Le rond bleuindique la densitéde ourantàlaquellel'a tivationde l'interrupteur Austonporte,idéalement,leLCQ au-dessus duseuil. . . 94

5.5 a) Champs THz issus de mesures de spe tros opie dans le domaine temporel sur l'é hantillon L 182 en régime stationnairepolarisé au-dessus duseuil ( ourbe rouge) etnon polarisé ( ourbe noire, référen e), et b) transformée de Fourier de es hamps. . . 95

5.6 a) Champs THz mesurés après un unique passage par l'é hantillon. Le laser est polarisé juste sous le seuil à 168 A/ m

2

. La ourbe noire orrespond au régime stationnaire, la ourbe bleue au régime non stationnaire (interrupteur Auston a tivé).b)Spe tresde esdeux hamps. )Représentation s hématique dugain: ennoir, legainsaturéenrégimestationnaire;enbleu,legaina essibleenrégime transitoire.d)Gain mesuréenrégimestationnaireettransitoirepour desdensités de ourant inje tées dansleLCQ pro hesdu seuil. . . 96

5.7 a), ), e)Champs THz mesurés après respe tivement trois, inq et sept passages parl'é hantillon.Lelaserestpolariséjustesousleseuilave unedensitéde ourant inje tée de 168 A/ m

2

.Les ourbes noires orrespondent au régime stationnaire, les ourbes bleues au régime non stationnaire (interrupteur Auston a tivé). b), d), e)Spe tresdes hamps représentés respe tivement surles gures a), )ete). Une représentation s hématique delalongueurd'é hantillon traverséeesta hée à droite de haquespe tre pardesè hesrouges pour trois, inqetseptpassages par leLCQ. . . 97

5.8 a) Évolution dugain modalà 2.4THzet2.46 THz enfon tion du délai

∆t

entre impulsionTHzetfais eauNIRservantàa tionnerl'interrupteurAuston.b) Évolu-tiondugainmodalà2.46THzsur400psprésentantdesos illationsd'unepériode de 240 ps aussi bien en-dessous ( ourbe orange) qu'au-dessus ( ourbe rouge) du

6.1 a) Représentation s hématique des variations de phase perçues par l'impulsion NIRfsentredeuxmesuresde l'amplitudeTHz d'unlaserà as ade quantique.b) Représentation s hématique de l'eet obtenu surla phase d'unLCQ amor é par une impulsionTHzexterne. . . 104

6.2 Représentation s hématique simpliée du ir uit éle tronique servant à porter l'é hantillon au-dessus duseuil aumême instant quel'arrivée de l'onde THz.. . . 106

6.3 Représentation s hématique du dispositif expérimental permettant de mesurer l'émissiond'unlaserà as ade quantique. . . 108

6.4 a) Forme dessignaux RFappliqués au LCQ. b) Cara téristiques ourant-tension et de puissan e lumineuse du laser à as ade quantique, soumis à un signal RF ( ourbe rouge), et non soumis à un signal RF ( ourbe noire). ) Représentation s hématique desimpulsions RF ombinées aux tensionséle triquesappliquées au LCQ surune période. . . 109

6.5 S hémaillustrantl'arrivéedel'ondeTHzdansl'é hantillonparrapportàl'instant d'appli ationdu signalRFau laserà as adequantique. . . 111

6.6 a)Champéle triqueTHzmesuréensortiedulaserà as adequantique.Lesè hes vertes indiquent la position d'un é ho THz dansl'antenne photo ondu tri e, qui estampliéenmêmetempsquel'impulsionprin ipale.b)Courbenoire:évolution de lavaleur rête-à- rête desimpulsions THzee tuant plusieurs passagespar le LCQ(enveloppedu hampTHza héena)).Courberouge:alluredusignalRF appliquéau LCQ. )Champ THzquasi-mono hromatiquemesuréaux tempslongs.112

6.7 a) Spe tres normalisés des hamps THz générés par l'antenne photo ondu tri e soumiseàdiérentes tensionsde polarisationentre30mVet4V.b) Évolution de l'amplitude spe traleà 2.14THz de l'ondeTHz issuede l'antenneen fon tion de latensionde polarisation appliquée à ette dernière. . . 114

6.8 a) Champs THz transmis par l'é hantillon lasersoumis à un signal RFpour dif-férentes amplitudes de l'impulsion THz générée par l'antenne. b) Évolution de l'é art quadratique moyen du hamp THz transmis par l'é hantillon et de la v a-leur rêteà rête de e hamppour diérentestensionsdepolarisationappliquées

6.9 a)Fa teurd'ampli ationdelapuissan edel'ondeTHz oupléedansleruban la-serenfon tiondelatensiondepolarisationappliquéeàl'antennephoto ondu tri e servant àla générer.b) Spe tresde l'impulsiongénérée par l'antennesans passer par le LCQ ( ourbe rouge) et après ampli ation dans l'é hantillon soumis aux impulsions RF,pour unetensionde polarisation de0.25 Vappliquée àl'antenne. ) Spe tresde l'impulsion générée par l'antenne sans passer par le LCQ ( ourbe rouge) etaprès ampli ation dans l'é hantillon laser soumis aux impulsions RF, pour unetension depolarisation de30 mV appliquéeà l'antenne. . . 117

6.10 Impulsions RF appliquées à l'é hantillon pour le porter au-dessus du seuil. En noir, l'impulsion longue mais dont la mesa est irrégulière. En rouge, l'impulsion ourtemaisdontl'allureestplusrégulière.Lestraitsverts enpointillésdélimitent la zonedufront montant desimpulsions RF. . . 119

6.11 a) Champ éle trique THz mesuré en sortie du laser à as ade quantique auquel on appliqueune impulsionRFde ourtedurée. b) Évolution de lavaleur rête-à- rête desimpulsionsTHz ee tuant plusieurspassages parleLCQ (enveloppe du hampTHz a hé en a)). . . 120

6.12 Champ éle trique THz mesuré en sortie du LCQ polarisé sous le seuil et soumis à une impulsion RF( ourbe verte) etave le LCQ polarisé au-dessus du seuilen l'absen e de signalRF( ourbe rouge). . . 121

6.13 Spe tresd'untrain d'impulsionsTHztransmises par la avité del'é hantillon. a) Spe tredutraind'impulsions orrespondantaux500premièrespsdetransmission THz par l'é hantillon. b) Spe tre du deuxième train d'impulsions transmis par l'é hantillon. )Spe tredutroisièmetraind'impulsionstransmisparl'é hantillon. d)Spe treduquatrièmetraind'impulsionstransmisparlelaser.e)Représentation dudé oupagedesdiérentstrainsd'impulsionssurl'ondeTHzmesuréeentre0et 2.2 ns. . . 123

6.14 a)Champéle triqueTHzmesuréensortiedulaserà as adequantique.b)Champ THz mesuré durant les 500 premières ps d'ampli ation de l'impulsion initiale. ) Évolution de la valeur rête-à- rête des impulsions THz ee tuant plusieurs

6.15 Spe tres d'untrain d'impulsionsTHz générées lo alement dans lelaser soumis à desimpulsionsRFlepolarisant au-dessus duseuil. a)Pour lesdix premiers train d'impulsions, plusieurs modes de avité sont dis ernables. b) Pour le deuxième traind'impulsions,lenombredemodesde avitédiminueetdeuxmodesdominent les autres. ) Le troisième train d'impulsionsprésente un spe tre essentiellement monomode. d) Le dernier train d'impulsions a un spe tre monomode. e) Repré-sentation dudé oupagedesdiérentstrainsd'impulsionssurl'onde THzmesurée entre0 et2.2ns. . . 126 6.16 Spe tres de la tra e THz omplète transmise par l'é hantillon laser pendant 2.2

ns.a)Dansle asdel'impulsionTHzgénéréeave l'antennephoto ondu tri e.b) Dansle asde l'impulsionTHzgénérée lo alement par ex itationoptiqueau sein del'é hantillon. . . 127

B.1 a)Cara téristiquesLJVdulaserTRT295(2.9THz).Lestraitsenpointillésverts indiquent les tensions pour lesquelles des données sont fournies par la suite. b) Cara téristiques LJVdu laserV 298 (2.6 THz). . . 135 B.2 a)ChampsTHz mesuréspar spe tros opiedansledomaine temporelsur

l'é han-tillonTRT295 (2.9THz).La zoneen blan représenteles hampspourlesquelles le LCQ fon tionne en régime laser. La zone en vert représente les hamps pour lesquels le laser est polarisé sous son seuil. La zone en beige, les hamps pour lesquels le laser est polarisé au-delà de la tension de désalignement du LCQ. b) Données relativesà l'é hantillon V 298(2.6 THz).. . . 135 B.3 a) Cara téristiques LJV de l'é hantillon TRT 295 (2.9 THz), suivi de l'évolution

du gain modal à 2.9 THz en fon tion de la densité de ourant inje tée dans le LCQ (ronds blan s). L'évolution de lalargeur à mi-hauteur est indiquée par des points bleus.b) Mêmes donnéespour l'é hantillon V298 (2.6 THz) . . . 136 B.4 a) Représentation du arré du hamp éle trique (mode plasmon TM sur lequel

l'é hantillon TRT 295 (2.9 THz) se ouple en régime laser). Lespertes dues aux porteurs libres ainsi que le fa teur de re ouvrement ave la région a tive sont donnés. b) Représentation du arré du hamp éle trique (mode plasmon TMsur lequell'é hantillon V298 (2.6 THz) se oupleen régime laser). . . 137

Introdu tion générale

Le spe tre éle tromagnétique est aujourd'hui exploité des ondes radio aux très basses fré-quen esjusqu'auxrayonsXauxfréquen eslesplusélevées.Lespossibilitésoertesparlesondes éle tromagnétiquesdefaibleénergie(radio,mi ro-ondes,radar)sontexploitéesgrâ eàdes dispo-sitifséle troniques(antennes,klystrons, ar inotrons)quipermettentde ouvrirunspe trelarge jusqu'àdesdizainesde GHz.Du otédeshautes énergies, del'infrarougejusqu'au rayonnement UV, nous disposons de sour es, déte teurs et guides s'appuyant sur des te hnologies optiques (lasers,bresoptiques, amérasCCD).

Cependant, à des énergies intermédiaires entre lagamme radaret infrarouge orrespondant auxfréquen es de 0.3 THz à 30 THz environ situées dansl'infrarouge lointain, ni les te hnolo-gies optiques ni les dispositifs éle troniques ne permettent de fournir des sour es etdéte teurs pratiques d'utilisation. Pour ette raison on parle de  gap THz . La gure 1.1 présente les ara téristiquesprin ipales durayonnement THzsurun spe tre éle tromagnétique.

Les appli ations potentielles du domaine THz sont nombreuses et motivent le développe-mentdete hnologies optoéle troniquespermettant de omblerlegapdel'infrarougelointain[1℄, [2℄.En eet, e rayonnement de faibleénergie (del'ordre dequelquesmeV)permetparexemple d'étudierdesmolé ulesorganiquesetdestissusbiologiquessanslesendommager.Denombreuses molé ulesprésentent desraiesd'absorption orrespondant à desrésonan es rotationnelleset vi-brationnelles dansleTHz :l'eau (H

2

O) [3 ℄,ledisulfure d'hydrogène (H

2

S) [4 ℄, les brinsd'ADN [5℄,[6 ℄et . Lessubstan es himiquestellesquelesdrogues,explosifsetmédi amentsontainsiune signaturespé iquedansleTHz.Par ailleurslaplupartdesmatériauxdiéle triques:plastiques,

Figure 1.1: Représention s hématique du spe tre éle tromagnétique ave une mise en éviden e des fréquen es, énergies, températures et longueurs d'onde asso iées à haque type de rayonnement. Une équivalen eentre esdiérentsparamètresestdonnéepour1THz.

béton, emballages, artons etles semi ondu teurs intrinsèques sont transparent dansle THz e quipermetd'entrevoir desappli ationspourdess annersperformantsetnondestru tifsdansle domaine militaire, l'industrie agroalimentaire, pharma eutique, éle tronique,la sé urité et l'ob-servationatmosphérique.Ilestànoterquelesmétauxsonteuxtrèsréé hissantspour lesondes THz.L'utilisationdel'infrarougelointaindanslare her he fondamentaleestégalementpossible, dans la mesure où de nombreux phénomènes physiques dansles solides interviennent entre 0.3 THz et 30 THz, notamment les transitions intersousbandes [7℄, les gaps des supra ondu teurs [8 ℄,[9℄ etlesex itations de spins [10℄.

Danslesannées80,l'apparitiondelasersimpulsionnelsfemtose ondeapermisd'entrevoirdes moyens ompa tsdegénérerduTHzpourdesétudesenspe tros opie.Eneet,ilestpossiblede générer uneonde THz dont le hamp suitlesvariations de l'envelopped'une impulsion femtose- onde[11 ℄parre ti ationoptiquedansdesmatériauxnon-linéaires[12 ℄,[13 ℄ouparl'utilisation d'antennes photo ondu tri e [14℄, [15℄. Finalement, la déte tion par eet éle tro-optique ou à l'aide d'antennes photo ondu tri es [16 ℄ permet de mesurer un hamp THz et à ouvert lavoie

aujourd'huirépandue ave la ommer ialisation deslasersfemtose onde saphir dopéstitane. C'est ettete hnique expérimentalequenousavonsutiliséedans ettethèsepour étudierdes nanostru turessemi ondu tri es.Dansle hapitre 2,nousdé rivonsendétaille fon tionnement d'un dispositif de spe tros opie THz dans le domaine temporel, et fournissons une étude du rapportsignalsurbruit dansnotremontage expérimental.

La spe tros opieTHz dans ledomaine temporel a en parti ulier été appliquée à l'étudedes transitions intersousbandesdans les lasers à as ade quantique. Ces dispositifs unipolaires sont des andidatspotentielspour fournirune sour e ompa tedelumière ohérente omblant legap THz.Depuis l'apparition des premiers laserà as ade quantique émettant dans l'infrarouge en 1994 [20℄, et leur développement jusqu'à fournir une sour e ommer ialisable émettant dans le moyeninfrarougeàtempérature ambiante [21 ℄, eslasersont subiundéveloppement important. En2002,lelaserà as ade THza faitsonapparition[22℄, maissonémission étant limitéeàdes températures ryogéniques il est né essaire d'ee tuer une étude approfondie des mé anismes quirégissent sonfon tionnement. Dansle hapitre 3,nousprésentonsun étatde l'artdeslasers à as ade quantiqueainsi quelesbases de leurfon tionnement.

Dansle hapitre4,nousprésentonsuneétudededeuxstru turesà as adequantiqueréalisée grâ eàlaspe tros opieTHzdansledomainetemporel.Cetteétudeexploitelapossibilitéoerte par laspe tros opie THz dansle domaine temporel d'étudier des propriétés statiques de maté-riaux. Au ours de es expérien es nous avons mesuré le spe tre du gain de 4 lasers à as ade THz[23 ℄.Lespe tredugainrévèledenombreusesinformationssurlefon tionnement d'unlaser. Il donne en parti ulier a ès auxpertes etau gain modal du lasersur une gamme fréquentielle large de 4 THz,que l'on peut étudier en fon tion de la tension appliquée à l'é hantillon. Nous avonspuobserverl'évolutiondugainen-dessous etau-dessusduseuil,et onstaterlasaturation du gainà sa valeur au seuil au-delà de la transitionlaser. En étudiant l'évolution de lalargeur à mi-hauteur des spe tres du gain, nous avons onstaté un rétré issement du spe tre du gain lorsque le ourant inje té dans un laser à as ade quantique augmente [24℄. Des simulations de stru turesdebande ont permis d'identier lestransitions éle troniquesà l'originedugain et de pertes dans es stru tures etdonner une expli ation au rétré issement du spe tre du gain. Par ailleurs, es simulations nous ont aussipermis de dé eler une fuite de ourant dans un laser à as adequantiqueprésentant unseuilélevé, equipermetd'envisager desaméliorationsdansle dessindestru turesultérieures [25℄.

lapi ose onde.Notreétudes'intéresseaurégimenonstationnaired'unlaserà as adequantique, dans lequel e dernier n'est pas par ouru par un hamp laser. Ce régime est atteint par une ommutationdugainetpermetde onnaîtrelegainmodalnonsaturédulaserdansla avité.Le gainmodalsupérieurà eluidurégimestationnairequ'oreuntelmilieuestutilisépouramplier e a ementuneondeTHz.L'expérien eaétéréaliséeàl'aided'uninterrupteuroptiqueAuston intégréàunlaserà as adequantiquepourleporterau-dessusduseuilpendant uneduréebrève de 100 ps environ. Nousmesurons un gain modal deuxfois supérieur au régime stationnaire et obtenons un ex édent d'ampli ation sur la puissan e THz transmise par le laserà as ade de 26 dB[26 ℄.

Finalement, nous présentons dans le hapitre 6 une expérien e qui permet de ontrler la phasedu hampéle triqueémispar unlaserà as ade quantiqueTHzpolariséau-dessusde son seuil[27 ℄.Lamesuredu hampTHzémisparunlaserà as adequantiquedevientalors possible par la spe tros opie dans le domaine temporel, e qui ore la possibilité d'étudier l'évolution dansletemps du hampéle trique émispar un é hantillon et disposerd'une sour e THz quasi-mono hromatiquedeforteamplitude.Dans etteexpérien e,uneimpulsionexterned'amplitude supérieure au hamp issu de l'émission spontanée dansla avité de l'é hantillon amor e l'émis-sion laser. Le laser est porté au-dessus du seuil grâ e à une impulsion éle trique syn hronisée ave l'impulsion THz. La mesure de l'émission ohérente d'un laser à as ade quantique per-met d'étudierladynamiquede formation d'un hamplaserdansla avitéd'un é hantillon dans les premières nanose ondes qui suivent le passage au-dessus du seuil, et de mesurer un hamp éle trique THzde forteamplitude ave une déte tionéle tro-optique.

Spe tros opie THz dans le domaine temporel

Ledéveloppementdelaspe tros opieTHzdansledomainetemporelaémergégrâ eàladé ou-verte en1988, par legroupe de Gris hkowskyde la propagationd'impulsionsTHz d'un émetteur à unré epteur par l'air libre [28℄,[29℄. Ce i a été rendu possible grâ e à l'apparition de lasers à pulsésfemtose onde, utilisés dans l'émissionetla déte tion ohérente delumière THz [30℄,[17℄. Aujourd'hui, la spe tros opie THz dans le domaine temporel permet d'étudier les propriétés de nombreux systèmes en biologie et matière ondensée [31℄, ave des performan es omparables à elles obtenues dans des montages utilisant des spe tromètres à transformée de Fourier (FTIR) [32℄.Laspe tros opie dansledomainetemporel présente l'avantaged'orirunrapportsignalsur bruit élevé aux fréquen es omprises entre 0.5THz et 3 THz, pouvant aller typiquement jusqu'à

10

4

[32℄.Elleestinsensibleaurayonnementthermiqueambiantdufaitd'unedéte tion ohérente et permet d'étudier l'évolution dans le temps d'un paramètre physique par la séle tion d'une fe-nêtre temporelle d'a quisition. Dans e hapitre, nous dé rivons les propriétés de l'émetteur et dudéte teur utilisé dans notremontage expérimental despe tros opie térahertzpartransmission dansledomainetemporel.Nousdétaillonsleprin iped'uneexpérien edespe tros opieemployant ettete hnique etprésentons uneétude menée envued'optimiserlerapportsignalsurbruitdans notre montage.

2.1 Lasers femtose ondes à modes bloqués

Laspe tros opieTHzdansledomainetemporelreposesurl'utilisationdelasersfemtose onde pour générer et déte ter des ondes THz. Nous onsa rons ette partie à une brève des ription

des spé i ités du laser le plus répandu pour générer des impulsions sub-pi ose onde : le laser saphir dopétitane.

L'e a ité du saphir dopé titane (Ti

3+

_:

Al

2

O

3

) pour produire des fais eaux de lumière ontinuedanslepro heinfrarougeaétémiseenéviden edès1986 [33 ℄.Cematériauprésenteun gainsur une gamme spe traletrès large entrée sur375 THz (800nm). De e fait, ilpermetde générer desimpulsions très brèves, inférieure à la dizaine de femtose ondes et a ordable entre 650nmet1100nm.Lelaserfemtose ondesaphirdopétitaneutilisé i ise omposed'unfais eau de lumière ontinue à 532 nm d'une puissan e de 8 W pompant un ristal de Ti

3+

_:

Al

2

O

3

disposé au sein d'une avité optique. Cette avité permet d'atteindre despuissan es moyennes de fais eau infrarouge pulsé de 1.5 W. L'impulsion femtose onde est obtenue par blo age des modes de avité en utilisant l'eet Kerr optique [34℄, [35 ℄. L'impulsion générée possède alors une durée typique de 100 fsetun spe tre gaussien entrésur 820 nm, de largeur à mi-hauteur d'environ 12 nm. La durée de ette impulsion permet d'envisager deux moyens de générer du rayonnement THz : par re ti ation optique dans un ristal éle tro-optique ou par la réation d'un ourant transitoire dansune antenne photo ondu tri e.

2.2 Émetteurs térahertz

Ave l'arrivée des lasers femtose onde (fs)dans les années80,deux te hniquesde génération de rayonnement infrarouge ont pu être utilisées pour émettre des ondes THz : la re ti ation optique dans des ristaux non entrosymétriques, etl'a élération de harges dans des antennes photo ondu tri es. Nous donnonsun bref aperçu dela re ti ation optique avant deprésenter le fon tionnement des antennes photo ondu tri es, émetteurs adaptés à nos expérien es en vertu des propriétés du rayonnement qu'ils génèrent et dela simpli itédeleur utilisation.

2.2.1 Re ti ation optique dans un ristal non entrosymétrique

Le premier moyen mis en ÷uvre pour générer du rayonnement THz à l'aide d'impulsions lasers ultra-brèves à été la re ti ation optique dans un ristal non linéaire [11℄. Il s'agit d'un eetnonlinéaired'ordre2intervenantdansdes ristauxnon entrosymétriquestelsqueleDAST (4-DimethylAmino-N-methyl-4-Stilbazolium Tosylate), le ZnTe ou le GaP, qui repose sur le mélange des fréquen es onstituant le fais eau fspro he infrarouge (NIR pour " Near Infrared ")traversant es ristaux.Lare ti ationoptiquegénèreensortiedu ristalune impulsiondont le spe tre est onstitué de ladiéren e desfréquen es ontenues dansle spe tre de l'impulsion

générée a alors une largeurde l'ordre de quelquesmeV, e qui orrespond à une onde THz. La re ti ationoptiqueproduitlemêmeeetquelare ti ationd'unsignaléle triqueetpermet de générer uneonde dont les variations sont donnéespar l'enveloppe dusignal femtose onde. Ave une impulsionde

∆t =

100 fsde durée, on génère un hamp de largeur typique

∆ν =

1

∆t

= 10

THz. Le hamp rayonné par re ti ation optique est propotionnel à la sus eptibilité d'ordre 2 (

χ

(2)

)du ristal età l'intensitédufais eauNIR.Cetteméthodepermetdegénérer desfais eaux dequelques

µ

Wdepuissan eave unspe tre omprisentre0.5THzetunedizainedeTHz.Plus dedétailsurlefon tionnement de ettete hnique sonta essibles dansles référen essuivantes: [12℄,[13℄.

2.2.2 Antennes photo ondu tri es

La deuxième méthode ommunément employée dans les expérien es de spe tros opie THz pour générer du rayonnement dans l'infrarouge lointain onsiste à é lairer des antennes photo- ondu tri esave unlaserfemtose onde.Nousdé rivonstoutd'abordlaphysique d'uneantenne photo ondu tri eàgéométriesimple.Nousdé rivonsensuitelesantennesspé iquementutilisées dansnosexpérien esetdis utonsdel'intérêt de etémetteurpournotre montageexpérimental.

Prin ipe de fon tionnement d'une antenne

Une antenne photo ondu tri e est omposée d'une anode et d'une athode métalliques for-mant un ondensateur déposés sur du GaAssemi-isolant. Un tel dispositif s'appelle ommuné-ment un interrupteur Auston [36℄,etpermetd'émettre jusqu'àla entaine de

µ

W de puissan e THzave unspe tre omprisentre0.5THzetunedizainedeTHzenviron.Les hémadeprin ipe d'unteldispositifestreprésentésurlagure2.1.Leprin ipedefon tionnementd'uninterrupteur Austonrepose surl'ex itationd'éle trons au-dessusde labande interdite de la ou he deGaAs semi-isolante, formant ainsi des paires éle trons trous, par l'impulsion NIR fs à 800 nm. Ces porteurs sont ensuite a élérés par l'appli ation d'une tension aux bornes du ondensateur, et rayonnent un hampéle triqueproportionnelàladérivéedu ourant générépar edépla ement. Dans le as desantennes photo ondu tri es que nousavonsutlisé, lespaires éle trons-trous rééesdansleGaAssemi-isolantpeuventêtredé rites ommeundiplep(t).L'appli ationd'une tensionauxbornesde l'antennefait apparaître un ourant i(t) dérivant de e diple dépendant dutempstel que:

i(t) =

dp(t)

dt

.Le hamptérahertz rayonnéàpartir desvariationsde e ourant perçuà une distan e

R

de lasour e estde laforme[37℄ :

(2.1)

E

THz

(t) =

µ

0

sin φ

4πR

di(t)

dt

Figure2.1:S hémad'uneantennephoto ondu tri eàgéométrieplane, onstituéed'uneanodeetd'une athodeespa ésdequelquesdizainesdemi rons.

où

µ

0

désigne laperméabilité du vide et

φ

l'angle entre lediple et ladire tion de propagation du fais eauTHz(

φ =

π

2

).

Paramètres inuençant l'émission des antennes

Nousdé rivonsmaintenantbrièvementl'inuen edediérentsparamètressurl'émissionTHz des antennes photo ondu tri es : tension de polarisation appliquée, puissan e du fais eau NIR ex itateur et duréedes impulsions fs. Une des ription rigoureuse de es dispositifs requiert des modèles Monte Carlo omplexes [38 ℄. Nos arguments s'appuient sur des modèles valables pour des antennes à large espa e inter-éle trode (aussi appelé " gap "). Les on lusions quenous en tironssont ellesgénérales ets'appliquent àun grand nombre d'antennes photo ondu tri es.

Enpremièreapproximation, le hampTHzrayonnéauniveaudel'antennepeutêtreexprimé grâ eà larelation suivante [39℄ :

(2.2)

E

THz

= −E

b

σ

S

(t)Z

0

σ

S

(t)Z

0

+ (1 +

√

ǫ)

où

E

b

=

V

b

D

est le hamp éle trique appliqué (

V

b

latension appliquée à l'antenne et

D

l'espa e entreleséle trodes),

Z

0

l'impédan eduvide,

ǫ

la onstantediéle triqueduGaAssemi-isolant et

σ

S

(t)

la ondu tivitésurfa ique.Ildé oulede ette relationquel'amplitudedu hampTHzémis augmente linéairementave latensionappliquéeà l'antenne. La limiteà etteaugmentation est leseuilde température au-delà duquel les éle trodessur hauent et établissent un ourt- ir uit permanent détruisant l'antenne. Les antennes quenous avonsutilisées présentaient un seuil de température atteint pour des hampséle triquesappliqués de50 kV/ menviron, e quiestbien inférieur au hamp de laquage du GaAs, estimé à 400 kV/ m [40℄. Nous avons don appliqué des hamps éle triquesde 27kV/ mà notreémetteur THz toutau longdenos expérien es.

Le hamp

E

THz

(t)

atteint sonmaximum en même temps que la ondu tivité

σ

S

(t)

qui peut alorsêtre appro hée par :[39℄

(2.3)

σ

Smax

(t) ≈

e(1 − R)µ

max

F

hν

où

e

est la harge de l'éle tron,

hν

l'énergie du photon in ident,

F

la uen e des impulsions optiques,

R

le oe ientde réexiondel'antenneet

µ

max

lamobilitédesporteursphoto- réés à l'instant où la ondu tivité est maximale.Il en dé oule que le hoix du matériau onstitutif de l'antenne doitfavoriserles mobilités élevées.

La mobilitédes éle trons est plus faible dansles valléeslatérales que danslavallée entrale delabandede ondu tion. L'appli ationd'unetensiontropélevéeauxbornesdel'antennepeut fournir une énergie susante aux éle trons pour les porter dans une vallée à mobilité réduite. Ce iapour onséquen edemodierlespe tredu hampTHzémis[41 ℄.Nousavonsappliquédes tensions susamment faiblesà nosémetteurs pour ne pas ressentir les eets dus auxéle trons desvallées latérales.

Larelation(2.3)montreaussiladépendan elinéaire du hampémisenfon tiondelauen e del'ex itation optique etdon de sonintensité. Cettedépendan e linéaire n'est ependant plus valable pour desintensités d'ex itation optiquetropimportantes en raison d'uneetde satura-tion.Cettesaturation provient dansnotre asdel'é rantage du hampappliquéà l'antennepar la séparation spatiale des harges photo- réées (les éle trons sont a élérés vers l'anode tandis queles trous sont a élérés vers la athode). Il estdon important d'optimiser lapuissan e op-tiquein idente surl'antenneens'appro hant lepluspossibledelavaleurde saturation.Enplus delalimitedesaturation,ilfautveillerànepasendommagerleséle trodesave unfais eautrop intense ou trop fo alisé. Une puissan e in idente de 800 mW répartie surune surfa e ir ulaire dediamètre 500

µ

maété utiliséeau ourt de ettethèse.

Figure 2.2:a) Exemple de hampTHzmesuré parspe tros opieTHz.b) Simulationdu ourant pho-to réédansuneantenneàgéométrieplaneparlefais eauNIRfsutiliséeàpartird'unmodèlede Drude-Lorentz[47℄( ourbeenpointillés)etdérivéede e ourant,proportionnelleau hampTHz( ourberouge).

spe tre du hampTHz émiss'élargit vers les hautes fréquen es. Ave nosimpulsions de 100 fs, nousavonsdéte té des hampsdont lespe tre était omprisentre 0.5et3.5THz.

Undernierparamètrequiintervient dansl'alluredusignalémisparuneantenneestletemps de vie des porteurs photo réés. Le temps de vie des porteurs ae te de nombreuses ara téris-tiques dans une antenne photo ondu tri e, et les meilleures performan es s'observent dans des antennesà temps de vie ourts[2 ℄.

Il est possible de dé rire grossièrement l'allure du hamp THz généré par une antenne pho-to ondu tri e àl'aidede modèles deDrude-Lorentz. Lagure2.2b) représentele ourant tran-sitoire généré dans une antenne photo ondu tri e (représenté en pointillés) et la dérivée de e ourant, proportionnelle au hamp THz. La gure 2.2 a) a he un hamp THz typique mesu-rable ave notre système. Les similitudes entre es deux hamps permettent d'armer que le omportement de es émetteurs estrelativement bien ompris ave desmodèlessimples.

Antennes interdigitées

Les antennes simples, se omposant de deux bornes métalliques séparées par un gap de quelquesdizainesdemi rons,présentent ertainsdéfautsquirendentleurutilisation ompliquée. D'une part, un espa e inter-éle trode dequelques dizaines de mi ronsné essite l'appli ation de tensions éle triques élevées à l'émetteur. D'autre part, si l'espa e inter-éle trode est réduit, le fais eau émispar un tel dispositif devient très divergent, e qui ompliquela olle tion e a e

Figure 2.3: a) Vue s hématique du dessus d'une antenne photo ondu tri e avant le dépt d'or pour éviterl'interféren edestru tiveentreles hampsde signesopposésgénérésentrelesdeux éle trodes.b) Vues hématiquedudessusd'uneantennephoto ondu tri eave undéptd'or. )Vueen oupelatérale d'uneantennephoto ondu tri e.

Dans la pratique, il est possible d'apporter des améliorations onsidérables aux antennes photo ondu tri esenutilisantunegéométrieadaptéepour edispositif.And'a roîtrelasurfa e é lairéeparlefais eauex itateurNIR, ontribuant ainsiàréduireladira tiondufais eauTHz émis,etutiliserdestensions faibles, nousavonsopté pour unegéométrie enpeignes interdigités [43℄dedimension500

µ

mx500

µ

m,dontunereprésentations hématiqueestfourniesurlesgures 2.3b) et ). Leur fabri ation a été réalisée par Nathan Jukam à l'Université Santa Barbara en Californie, ainsi que par Julien Madéo au Laboratoire Pierre Aigrain [44℄. L'autre avantage de edispositifsurlesantennesàgéométrie simpleestlarédu tiondel'espa e inter-éle trodes. Cet espa eest réduitjusqu'à1.5

µ

m, e quipermetd'appliquerdestensionsplus faiblesauxbornes dudispositifsansréduirel'intensité rayonnée.

se omposetoujoursdedeuxbornesmétalliquesformant ha uneunpeigne.Dansl'espa e entre éle trodes,lesensdu hampéle triqueappliquéestalternéparlagéométriedudispositif, omme onpeutlevoirsurlagure2.3a).D'aprèslarelation(2.1) elaapoureetdegénérerdes hamps THzdesignesopposésdon en oppositiondephasequis'annulent deuxàdeux.Par onséquent, il est né essaire de pro éder à un traitement de l'antenne interdigitée pour ne onserver que des hamps THz demême signequi interfèrent onstru tivement. Sur les gures 2.3b) et )on remarquequ'un espa einter-életrode (aussiappelé" gap")surdeuxestmasquépar uneplaque en or. Celles- i sont déposées sur du

SiO

2

. Ce omposé isolant est déposé sur les éle trodes, ommeen témoignelagure2.3 ),etpermetd'empê herun ourt- ir uitentreleséle trodeset lesplaquesenor.Lesplaquesenor masquent touslesespa esinter-éle trode asso iés àunsigne de hampéle triqueappliquédonné.Leszonesmasquéesnesontpasé lairéesparlesimpulsions NIR fs et ne génèrent don pas de hamp THz. Les zones non masquées génèrent toutes des hampsTHz de même phasequi interfèrent onstru tivement.

2.3 Déte tion ohérente THz

Tout omme pour l'émission delumière THz, la déte tion ohérente s'appuie prin ipalement sur deux te hniques pour mesurer amplitude et phase de hamps THz : eet Po kels dans des ristauxéle tro-optiques,et ourantgénérédansdesantennesphoto ondu tri es.Ilestintéressant de remarquer que les dispositifs servant d'émetteurs peuvent en pratique souvent être utilisés en guise de déte teurs. La déte tion ohérente né essite d'ailleurs le re ours à des impulsions NIR fs,tout omme lesémetteurs dé ritsdans lapartie(2.2).Dansnotre montage,nousavonsutilisé une déte tion éle tro-optique pour mesurer les hamps THz. Ce système, ouplé à une antenne photo ondu tri e en guise d'émetteur, nous a permis d'atteindre une gamme dynamique de 40 dBenamplitude.Nousdé rivonslefon tionnementdel'é hantillonnagené essaire àladéte tion ohérente de hamps THz dans la partie 2.5. Dans ette partie, nous présentons brièvement le prin ipe de la déte tion employant des antennes photo ondu tri es avant de détailler notre systèmededéte tion éle tro-optique etdis uterdesparamètresimportantsdansle hoixdu ristal utilisé dans e type de montage.

2.3.1 Antennes photo ondu tri es pourla déte tion ohérente

Pour la déte tion ohérente de signaux THz, il est né essaire d'utiliser un matériau ayant une durée de vie des porteurs inférieure à la pi ose onde et une mobilité éle tronique élevée

GaAsproduitàbassetempérature(GaAs-BT)[2℄.L'antennephoto ondu tri epeutprésenterle mêmetype de géométrie que elleemployée pour l'émission. Contrairement au asdesantennes utiliséespourl'émissionTHz,onnepolarisepasledispositif.Lefais eauNIRfssertàgénérerdes porteursquisonta élérés parle hampTHzin ident.Le ourantgénéré,del'ordredequelques nanoampères né essitel'emploi d'unampli ateur. Le ourant traversant l'espa einteréle trode dans le GaAs-BT de l'antenne est proportionnel à l'amplitude du hamp THz appliqué sur le dispositif. Dans lapratique, e type de déte teurore de bonnesperforman es ave un rapport signal surbruit en amplitude supérieur à 30 dB etune bande passante allant jusqu'à 3.5 THz ave desimpulsions NIRde 100 fs[2℄.

2.3.2 Prin ipe de fon tionnement de la déte tion éle tro-optique

La déte tion éle tro-optique repose sur l'eet Po kels induit dans un ristal (typiquement ZnTeouGaP)enprésen ede hampTHz.Ceteet onsisteenl'apparitiond'uneanisotropiedans le ristal due àune légèredéformation de sa stru ture ristalline, proportionnelle àl'amplitude du hamp éle trique THz in ident. Tout ommela re ti ation optique, il ne semanifeste que dansles ristauxnon entrosymétriques. La biréfringen einduitepareet Po kelsdansleZnTe orrespondàun hangementd'indi epourleslongueursd'ondeappartenantaupro heIR(autour de 800 nm) dans le ristal de déte tion. Elle ore des performan es identiques aux antennes photo ondu tri es, bien que samise en pla e né essite un montage parti ulier que nous allons dé rire i-dessous. Nous avons opté pour e type de déte tion en raison de sa réponse quasi-instantannée aux variations du hamp THz, e qui ne né essite pasle re ours à des matériaux spé iques ontrairement auxantennes photo ondu tri es à basede GaAs-BT.

La déte tion éle tro-optique est une mesure indire te de l'amplitude d'un hamp THz. Un fais eauNIRfs,quel'onpolarisere tilignement estfo alisésurun ristaldeZnTe.Entraversant le ristal aumême instant etaumêmepointde fo alisationquelefais eauTHz,lefais eauNIR fssubit alorsun hangement depolarisationproportionnel au hampéle triqueTHz.Le sytème dedéte tionéle tro-optique ompletné essaireàla onversionde ettevariationdepolarisation en hamp éle trique est représenté sur lagure 2.4. Le hangement de polarisation du fais eau induitpareetPo kelsest onvertiendiéren ed'intensitéentrelesdeux omposantesre tilignes du fais eauNIR. Cettediéren e d'intensité est mesurée à l'aide de photodiodes montées dans une balan e optique. Nous détaillons i i l'utilité des diérents omposants intervenant dans e

Figure 2.4:Représentations hématiqued'unsystèmededéte tionéle tro-optique.

2.3.3 Montage de déte tion éle tro-optique

On dispose une lame quart d'onde suivie d'un prisme de Wollaston ( f gure 2.4) derrière le ristal de ZnTe. En l'absen e de hamp THz, le fais eau NIR fs initialement polarisé re ti-lignement a quiert une polarisation ir ulaire au passage de la lame qui est ensuite séparée en ses deux omposantes perpendi ulaires polarisées re tilignement et d'intensité égale. Ces deux fais eaux sont olle tés par une balan e de photodiodes. Ainsi, en l'absen e de hamp THz, le ourant en sortie de la balan e de photodiodes est égal à 0. En présen e de hamp THz sur le ristal de ZnTe, le fais eau NIR a quiert une polarisation elliptique au passage du ristal. Les deuxfais eauxémergeantduprismedeWollastonontalorsdesintensitésdiérentesetle ourant en sortiede labalan e dephotodiodes,non nul, estrelié au hampTHz par larelation [45℄:

(2.4)

∆I = I

0

sin δΦ ≃ I0

δΦ = I

0

2

πL

λ

n

3

0

r

41

E

THz

où

I

0

désigne l'intensité du fais eau NIR in ident sur le ristal,

δΦ

le déphasage induit par eet Po kels entre les omposantes du hampéle trique du fais eau NIR selon les axes propres du ristal,

L

l'épaisseur de ristal traversée,

n0

l'indi e optique du ristal et

r41

le oe ient éle tro-optique duZnTe.

a hromatique. Sonspe treétant entrésurunelongueurd'ondede820nm(370THz),lasurfa e de fo alisation de e fais eau est plus petite que elle du fais eau THz.Un alignement optique de bonne qualité est indispensable pour que la déte tion soit e a e, notamment aux hautes fréquen es.

L'impulsionNIRd'uneduréede100fsestplus ourtequel'impulsionTHz,d'uneduréed'une ps environ. En ajustant pré isément le déphasage entre es deux impulsions, on peut ee tuer une mesure point par point de l'amplitude du hamp THz transmis. En réalité, du fait de la duréede l'impulsion fs, lamesure ee tuée orrespond à une onvolution des deux impulsions. Nousdis utonsde l'é hantillonnage du hampTHz danslapartie (2.5).

2.3.4 Choix du ristal de déte tion

Le hoix du ZnTe repose surun ertain nombrede ritères. Ce matériau présenteun oe- ient éle tro-optique (EO) relativement élevé (4.04 pm/V) [46℄ dans lepro he infrarouge et les raiesd'absorption desphononstransversesoptiques(TO)etlongitudinauxoptiques (LO), n'ap-paraissent qu'à des fréquen es supérieures à 4 THz [48 ℄. Par opposition, le DAST présente un oe ient EO40 fois plusélevé (160 pm/V) [46 ℄mais l'absorption desphononsle renden pra-tiqueinutilisable pourladéte tion autourde1 THz[49 ℄.D'autres matériauxsont envisageables pour la déte tion éle tro-optique, notamment le GaP, qui présente des propriétés voisines du ZnTe, maisun autre paramètre important :l'a ord de phase, fait du ZnTe un ristal parti u-lièrement adaptéàladéte tion auxfréquen esTHz omprisesentre0.5 THzet3THz ave une sondeNIRfsautour de800 nm.

2.3.5 A ord de phase dans le ristal

L'a ord de phaseentre l'impulsion térahertz etl'impulsion NIR fsà la traversée du ristal estun aspe t fondamental pour garantir une bonne mesuredes omposantes hautes fréquen es d'un hampTHz.L'indi eperçuparlesdeuxlongueursd'onden'estpaslemême, equiimplique desvitesses de propagation diérentes pour l'impulsion NIR fsetTHz dans le ristal. Ainsi, la vitessedephasedel'impulsionTHzn'est paségaleàlavitessede groupedufais eauNIR.Dans un ristal de ZnTe, seulesla omposante à 1.5THz présentel'a ord de phase ave l'impulsion NIR.Pour toutes les autres omposantes fréquentielles l'amplitude THz sondée par l'impulsion NIRn'estalors pas onstanteà latranverséedu ristal ommeen témoignelagure2.5.Plusle ristal estépais, plusl'impulsion NIRsedéphase par rapport àl'impulsion THz.Ce irevient à ee tuerunemoyennedel'amplitudedu hampperçueentredeuxphasesdel'impulsionTHz.Ce

Figure 2.5: Représentations hématiquedu déphasage entre impulsion NIRfs et impulsion THzà la traverséed'un ristaldeZnTeenraisondeladiéren eentre lavitessedegroupedel'impulsionNIRfs etdelavitessedephasedel'impulsion THz.

élevées au-delà de 1.5 THz (dans notre as, une fréquen e supérieure à 3 THz est onsidérée ommeélevée). Les ristauxépais sont don peu adaptésà unedéte tion de omposantes haute fréquen e. Cependant,en traversant une plus grande épaisseur de ristal, l'eet éle tro-optique aune in iden e plusgrandesurlapolarisation dufais eauNIR, e quipermetd'a roître l'am-plitude du signal généré en sortie de labalan e optique etaugmenter la gamme dynamique de déte tion.Pourtrouverun ompromisentrelapertedesensibilitéauxhautesfréquen esà ause du désa ord de phase et la gamme dynamique de déte tion, nous avons utilisé un ristal de ZnTe d'épaisseur200

µ

m. Cederniernousa permis d'obtenirde bonnesperforman es entre0,5 et 3 THz.Pour desmesures né essitant une meilleuresensibilité auxplushautes fréquen es,un ristal de GaP [50 ℄ de 300

µ

m nous a permis d'a éder à des fréquen es allant jusqu'à 4 THz en déte tion. Un fa teur de mérite a été introduit [46 ℄ pour omparer les diérents matériaux disponibles en tenant ompte de tous es ritères. Le ZnTe s'avèreainsiêtre un hoix pertinent pour laspe tros opie autourde quelquesTHz.

2.4 Prin ipe d'une expérien e de spe tros opie dans le domaine temporel

Laspe tros opieTHzdansledomaine temporelprésentedeuxdiéren esmajeures par rap-port aux autres te hniques expérimentales existantes danslelointain infrarouge, notamment la spe tros opie à transformée de Fourier (FTIR)ave laquelleelle présentedes similitudes. Tout d'abord,lamesuredurayonnement transmisestunemesuredu hampéle trique omplexe(son amplitude et sa phase) et non seulement de son intensité omme en spe tros opie FTIR par exemple.Ainsi, on peut extraireune information à partir de l'amplitudeetde laphase des