Recherche Avancée

Thèse en cours

Modelage spatio-temporel de la lumière THz

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Auteur / Autrice : Karawal Deepak
Direction : Emmanuel Abraham, François Blanchard
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
Date : Inscription en doctorat le 05/03/2024
Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Ecole de Technologie Supérieure
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l'ingénieur
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine
Equipe de recherche : Photonique et matériaux

Résumé

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1. Régime du THz La région du spectre des ondes électromagnétiques constitue le spectre électromagnétique. La partie du spectre située entre les micro-ondes et l'infrarouge est appelée le « gap térahertz ». Nous ne pouvons pas voir le rayonnement THz, mais nous pouvons ressentir sa chaleur car il partage une partie du spectre avec la région de l'infrarouge lointain. Traditionnellement, cette partie du spectre constitue un domaine de recherche actuel, mais elle reste encore peu explorée par les chercheurs. Néanmoins, des technologies THz ont été développées par plusieurs équipes de recherche interdisciplinaires. Différentes communautés scientifiques utilisent différentes unités pour décrire le spectre du rayonnement THz. Habituellement, le térahertz correspond à 10^12 Hz. Les unités les plus utilisées et leurs conversions à 1 THz sont les suivantes [2] : Fréquence : ν = 1 THz = 1000 GHz Fréquence angulaire : ω = 2πν = 6,28 THz Période : τ = 1/ν = 1 ps Longueur d'onde : λ = c/ν = 0,3 mm = 300 μm Nombre d'onde : k = 1/λ = 33,3 cm⁻¹ Énergie du photon : hν = ω = 4,14 meV Température : T = hν/kB = 48 K Ici, c est la vitesse de la lumière dans le vide, h est la constante de Planck et kB est la constante de Boltzmann. À ce jour, la bande THz n'a pas de définition universelle. La réponse la plus courante situe le domaine THz entre 0,1 et 30 THz, soit une gamme de longueurs d'onde comprise entre 3 μm et 3000 μm. Historiquement, les montages de spectroscopie THz en domaine temporel (THz-TDS) ont été utilisés en mode transmission ou réflexion. Dans ce rapport, j'explorerai la littérature relative à la modulation de phase en THz, un état de l'art, un plan de recherche, les logiciels et systèmes utilisés. Avant d'entrer dans le détail, je présenterai une introduction générale au THz, les techniques de génération et de détection du rayonnement THz. 1.1 Méthodes de génération du THz 1.2 Génération du THz par antenne photoconductrice Le cœur d'un système de spectroscopie THz en domaine temporel est l'oscillateur laser ultrarapide ou son amplificateur. Des impulsions femtosecondes générées par le laser sont transformées en impulsions THz de l'ordre de la picoseconde. La génération de THz par antenne photoconductrice est décrite théoriquement par les équations de Maxwell car elle provient de l'écoulement de charges. Cependant, ces équations ne décrivent pas complètement les dynamiques de charge à l'échelle femtoseconde dans les semi-conducteurs. Le principe : une impulsion ultracourte incidente sur un semi-conducteur excite des porteurs de charge. Leur mouvement engendre un rayonnement électromagnétique dans la gamme THz. L'antenne photoconductrice est constituée d'un matériau semi-conducteur entre deux électrodes. L'impulsion laser incidente modifie brutalement la conductivité du semi-conducteur, et l'émission THz est ensuite focalisée par une lentille hémisphérique en silicium. 1.3 Génération du THz par rectification optique La rectification optique est principalement utilisée dans les systèmes basés sur amplificateur. C'est un processus où une impulsion optique intense crée un mouvement de charges à basse fréquence dans un milieu non linéaire. Les matériaux couramment utilisés sont le niobate de lithium (LiNbO₃) et le ZnTe, connus pour leur forte non-linéarité. La rectification optique relève d'un effet non linéaire optique d'ordre 2 : 𝑃 ( 2 ) = 2 𝜀 0 𝜒 ( 2 ) ∣ 𝐸 ∣ 2 𝛼 𝐼 P (2) =2ε 0 ​ χ (2) ∣E∣ 2 αI où χ^(2) est la susceptibilité non linéaire d'ordre 2 et E₀ l'amplitude du champ optique incident. L'impulsion optique femtoseconde donne naissance à un spectre large, de durée sub-picoseconde, qui correspond à la bande THz. 1.4 Concept de la spectroscopie dans le domaine temporel La spectroscopie consiste à analyser la fréquence, la longueur d'onde ou l'énergie des photons traversant un échantillon. En spectroscopie THz-TDS, on mesure directement le champ électrique transitoire THz plutôt que son intensité. Le principe : une impulsion laser infrarouge femtoseconde est divisée en deux par un séparateur de faisceau. L'un des faisceaux génère le rayonnement THz, l'autre sert de sonde (read-out pulse). Le signal mesuré : 𝑆 ( 𝑡 ) ∝ 𝐼 𝑜 𝑝 𝑡 ( 𝑡 ) 𝐸 𝑇 𝐻 𝑧 ( 𝑡 ) S(t)∝I opt ​ (t)E THz ​ (t) et par Fourier transformée, on accède au spectre complexe : 𝐸 ( 𝜔 ) = 𝐴 ( 𝜔 ) 𝑒 − 𝑖 𝜙 ( 𝜔 ) E(ω)=A(ω)e −iϕ(ω) Ce spectre fournit simultanément l'amplitude et la phase, ce qui distingue avantageusement la spectroscopie THz-TDS des spectroscopies IR ou visible classiques. 1.5 Méthodes de détection du THz 1.5.1 Antenne photoconductrice (PCA) Une PCA peut également être utilisée comme détecteur THz. L'impulsion THz incidente induit un courant photo-généré proportionnel à son amplitude. 1.5.2 Échantillonnage électro-optique (EO) Basé sur l'effet Pockels dans un cristal non centro-symétrique (ex. ZnTe). L'impulsion optique sonde subit une birefringence induite par le champ THz, ce qui permet de détecter le champ avec une très haute résolution temporelle (sub-ps). 2. Revue bibliographique et Objectifs Récemment, le domaine du THz a connu des progrès considérables. Cependant, sa propagation en espace libre est fortement limitée par l'absorption de l'eau atmosphérique. Une alternative consiste à guider le THz à travers des guides d'ondes métalliques creux circulaires. Ces guides d'ondes ont pour cœur l'air, entouré d'une gaine métallique. Ils présentent de faibles pertes, une faible dispersion et de faibles effets non linéaires. L'objectif de ce travail est d'étudier les caractéristiques de transmission des guides d'ondes métalliques creux en cuivre à l'aide d'une spectroscopie THz en domaine fréquentiel (CW) et d'analyser la polarisation dans ces structures. 3. Système utilisé Le système utilisé est un spectromètre THz en régime continu (TOPTICA). Il repose sur deux lasers à rétroaction distribuée avec une faible différence de fréquence centrale, créant un battement dans la gamme THz. Un photomélangeur génère le signal THz, qui est ensuite collimaté par des miroirs paraboliques hors axe. Les mesures sont effectuées entre 50 GHz et 1 THz avec une résolution fréquentielle de 10 MHz.