Un groupe de scientifiques de la TU Wien et de l'ETH Zurich a réussi à générer des impulsions lumineuses térahertz ultracourtes. Avec des longueurs de quelques picosecondes, ces impulsions sont parfaitement adaptées aux applications spectroscopiques et permettent d'effectuer des mesures de fréquence extrêmement précises.

Les propriétés uniques du rayonnement térahertz signifient qu'il est intéressant pour un large éventail d'applications potentielles, y compris l'imagerie médicale non invasive et la détection de substances dangereuses. Les ondes térahertz peuvent pénétrer dans de nombreux matériaux opaques à la lumière visible et, contrairement aux rayons X, ne présentent pas de risque d'endommager les tissus biologiques. De plus, de nombreuses substances ont une empreinte moléculaire de l'ordre du térahertz, permettant de les détecter par des méthodes spectroscopiques. Un moyen efficace de générer ces ondes térahertz consiste à utiliser des lasers à cascade quantique, qu'un groupe de travail dirigé par le professeur Karl Unterrainer de l'Institut de photonique de la TU Wien a étudié et développé. Les lasers à cascade quantique sont constitués d'une séquence définie avec précision de plusieurs centaines de couches semi-conductrices qui ne mesurent que quelques nanomètres d'épaisseur. Cette construction spéciale signifie qu'il y a la liberté de sélectionner l'état d'énergie exact auquel les électrons restent dans la structure semi-conductrice. Cela permet d'ajuster la fréquence de la lumière laser émise en fonction de l'application en question.

Création d'un peigne de fréquence avec un "sandwich laser" à large bande

Avec cette particularité de pouvoir déterminer les longueurs d'onde laser elles-mêmes, plusieurs structures en cascade quantique avec des fréquences d'émission différentes peuvent être empilées les unes sur les autres, dans le but de générer un rayonnement térahertz à large bande. « Les zones actives hétérogènes de ce type sont parfaitement adaptées à la mise en œuvre d'amplificateurs térahertz à large bande et à la génération d'impulsions térahertz ultracourtes, " explique Dominic Bachmann du Photonics Institute. De plus, si les lignes laser discrètes sont reliées entre elles pour établir une relation de phase fixe entre les modes laser, quelque chose connu sous le nom de « peigne de fréquence » sera créé. Les peignes de fréquence permettent d'effectuer des mesures extrêmement précises de la fréquence absolue de la lumière utilisée, ce qui est essentiel pour un grand nombre d'applications. La découverte du peigne de fréquence a plus ou moins révolutionné la métrologie optique et a reçu le prix Nobel de physique en 2005. Au cours des quatre dernières années, les chercheurs ont travaillé dur pour générer un peigne de fréquence térahertz à l'aide d'un laser à cascade quantique dans le cadre du projet européen TERACOMB. Dirigé par le Dr Juraj Darmo du Photonics Institute, l'équipe de groupes de recherche internationaux a réussi à générer le premier peigne de fréquences térahertz à large bande basé sur la technologie des semi-conducteurs.

Regarder les lasers au travail

Une méthode développée par le groupe dirigé par le professeur Unterrainer permet d'analyser les paramètres laser internes en cascade quantique pendant le fonctionnement du laser. Cette technique est basée sur la spectroscopie résolue en temps, avec des impulsions térahertz à large bande pénétrant l'échantillon à mesurer. Basé sur des lasers femtosecondes, cette technologie permet de collecter l'intégralité du contenu des informations relatives à la plage de temps et de fréquence avec une seule mesure. Par conséquent, les scientifiques du Photonics Institute ont réussi à quantifier les coefficients de gain optique ainsi que la dispersion optique dans les lasers à cascade quantique térahertz à large bande, améliorer leur compréhension des dynamiques complexes en jeu. "Ces résultats nous permettent d'augmenter encore plus la bande passante laser et d'améliorer l'efficacité des peignes de fréquence, " explique Juraj Darmo.

Cibler les pertes

Un problème non résolu avec les lasers à cascade quantique térahertz était l'existence de lignes laser avec des vitesses de propagation différentes. S'il existe des modes laser avec un ordre latéral supérieur, l'intensité est répartie de manière très inégale entre les lignes laser, réduisant ainsi la bande passante utilisable et empêchant la génération d'un peigne de fréquence. Afin d'empêcher ces modes d'osciller, les pertes doivent être augmentées jusqu'à ce qu'elles n'atteignent pas le seuil laser. En ajoutant un absorbeur latéral sur mesure aux bords du résonateur laser, les chercheurs ont réussi à supprimer complètement les modes latéraux supérieurs, sans avoir d'impact significatif sur les modes fondamentaux. Le résultat était une bande passante d'émission couvrant une pleine octave, distribution de mode très uniforme au milieu à 700 GHz, et un peigne de fréquence avec une bande passante de 440 GHz. Quoi de plus, les absorbeurs latéraux permettent la génération d'impulsions térahertz ultracourtes avec des largeurs d'impulsions inférieures à 3 ps, qui représente un nouveau record mondial pour les impulsions térahertz générées à l'aide d'un laser à cascade quantique. "C'était vraiment incroyable de voir comment un ajustement relativement mineur du guide d'ondes pouvait apporter une amélioration aussi spectaculaire, " explique Dominic Bachmann, qui vient de terminer la rédaction de sa thèse sur les lasers à cascade quantique à large bande.