Réalisation de source lasers monomodes innovantes émettant dans le moyen infrarouge : application à la spectroscopie

Realization of innovative monomode laser sources emitting in the mid-infrared : application to the spectroscopy

• Auteur / Autrice : Grégory Maisons
• Direction : Daniele Romanini, Mathieu Carras
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : III-V Lab - Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble, Isère, France ; 1966-....)
• Jury : Président / Présidente : Georges Durry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Faist, Christophe Simon Boisson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Georges Durry, Roland Teissier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie infrarouge

Applications scientifiques

Lasers à cascade quantique

Spectroscopie

Mots clés libres

Laser à cascade quantique

Moyen-infrarouge

Emission de surface

Spectroscopie

Quantum cascade laser

Mid-infrared

Surface emission

Spectroscopy

Résumé

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 spectroscopie.

This 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.