Active mode-locking and control of the spectral properties of terahertz quantum cascade lasers

• Auteur / Autrice : Pierre Gellie
• Direction : Stefano Barbieri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers -- Matériaux

Spectroscopie

Rayonnement terahertz

Résumé

La mise au pint de sources térahertz (THz) dont les propriétés spectrales sont contrôlées est devenu un enjeu important dans plusieurs domaines. Notamment pour des applications comme la spectroscopie de haute résolution, l'imagerie avec haut rapport signal sur bruit ou bien la détection hétérodyne de grande sensibilité. C'est dans ce contexte que se situent mes travaux de thèse. En particulier je me suis penché sur les sources laser à cascade quantique (LCQ) Thz. Dans un premier temps, j'ai montré comment, en modulant un LCQ à une fréquence proche de l'intervalle spectral libre, l'on obtient le verrouillage mutuel des modes du LCQ. Ensuite, j'ai développé une technique de verrouillage de phase du LCQ se basant sur un laser femto-seconde à 1550nm et une détection électro-optique. J'ai ainsi montré que, lorsque la boucle de verrouillage est fermée, la largeur spectrale d'un LCQ à 2. 5THZ est inférieure à 1Hz. J'ai ensuite démontré, grâce à une technique optique asynchrone, que l'on peut échantillonner le champ électrique émis par un LCQ fonctionnant en régime de verrouillage de modes. J'ai ainsi pu mesurer une durée impulsion de 10ps pour un LCQ ayant 10 modes longitudinaux au-dessus du seuil, avec un pas d'échantillonnage de 2. 3ps. Dans le dernier chapitre de la thèse je me suis intéressé au développement d'une cavité étendue à base d'un LCQ THz. Dans un premier temps, j'ai démontré que la réfléctivité d'une facette d'un LCQ peut être réduite à quelques pourcents en polissant celle-ci à l'angle de Brewster ou bien en déposant une couche antireflet à base de Parylène. Enfin, j'ai développé des LCQ à contre-réaction répartie, afin d'obtenir une émission monomode à haute puissance en régime continu.

The development of terahertz (THz) sources whose spectral properties are controlled has become a major challenge in several applications fields. For example, high resolution spectroscopy, imaging with a high signal to noise ratio or high sensitivity heterodyne measurements. This is the context of the work carried out in this thesis. I lhave, in particular, focused my research on the THz quantum cascade laser (QCL) source. In the first part of this munuscript, I demonstrated that, under active modulation at a frequency close to the round-trip of the laser, all longitudinal modes of a THz QCL are mutually phase-lock, thus the laser operates in the active mode-locking regime. I have then developed a phase-locking technique operating at room temperature based on a 1550nm femtosecond laser source and an electro-optic detection unit. I have shown that, whenthe PLL is closed, the linewidth of 2. 5 THz QCL is less than 1 Hz. I have then demonstrated that the electric field of an actively mode-locked THz QCL can be sampled using an optical asynchronous technique. I was able to measure a pulse width of 10ps, with a sampling step of 2. 3ps, for a THz QCL with 10 longitudinal modes above threshold. . In the second part of this manuscript, I have worked on the realization of an extended cavity THz QCL. I have shown how the reflectivity of a QCL facet can be reduced to a few percent by polishin it at Brewster's angle of by depositing a λ/4 thick anti-reflection coating based on Parylene. Finally I have developped high power, single mode THz QCLs, operating in continuous wave, based on first order distributed feedback gratings.