Laser à cascade quantique terahertz accordable en cavité externe verticale – TERASEL

Contexte – Les ondes THz (1-10 THz) constituent un rayonnement non-ionisant qui a un large potentiel d’applications dans un grand nombre de domaines. Les plus prometteurs aujourd’hui sont l’imagerie THz et la spectroscopie. Les lasers à cascade quantique (QCL) apparaissent comme une solution compacte et efficace pour répondre à ces applications. Ils peuvent fonctionner à 50/80 K avec un système de refroidissement Stirling compact ou avec un système à azote liquide. Cependant, au-delà de la puissance optique disponible qui est un paramètre important, ce qui limite le développement applicatif des QCL THz c’est l’absence d’accordabilité en fréquence.

Objectifs – Le but du projet TERASEL est de développer un laser à cascade quantique émettant par la surface en cavité externe (QC-VECSEL) largement accordable en fréquence. Il sera basé sur un milieu actif formé par un réseau de microstructures métal/semiconducteur pompé électriquement, une metasurface qui offre un gain optique en réflexion par l’intermédiaire de transitions inter-sousbandes dans le domaine THz. Ce laser sera accordable en fréquence (>10%) grâce à un miroir externe sélectif en fréquence et ajustable qui fermera la cavité. Nous ciblons le domaine de fréquence 2.5-4.5 THz, une température de fonctionnement de 50-80 K et une puissance de sortie continue de 10 mW.
Un deuxième objectif du projet est de réaliser un amplificateur optique pour ondes THz en espace libre, élément qui n’existe pas aujourd’hui. Un tel composant sera bénéfique pour étendre l’efficacité des systèmes de spectroscopie TDS (Time Domain Spectroscopy) au-delà de 2 THz, ou pour l’amplification large bande d’impulsions THz provenant de QCL à blocage de mode.

Equipe – Le consortium TERASEL est formé par trois groupes de recherche complémentaires qui sont des acteurs académiques majeurs au plan international dans le domaine des QCLs : IES à Montpellier (Epitaxie par jets moléculaire de QCL), C2N à Saclay (microstructures et composants photoniques THz) et LPA à l’ENS Paris (TDS, QCL impulsionnels).

Originalité et pertinence – Le concept de QC-VECSEL THz est nouveau et très prometteur. Il a été démontré expérimentalement par une équipe de recherche de UCLA aux Etats-Unis. Notre proposition s’appuie sur ces uniques développements très récents et vise à contribuer à ce domaine émergeant en y apportant de nouvelles avancées. Nos atouts sont de démarrer le sujet rapidement et de s’appuyer sur un consortium complémentaire et très expérimenté.
Ce projet est novateur sur au moins trois aspects : tout d’abord, nous visons la réalisation d’un VECSEL THz largement accordable ; ensuite, notre objectif est d’améliorer considérablement sa puissance de sortie par rapport à l’état de l’art ; enfin, nous allons utiliser la metasurface active comme amplificateur d’impulsions THz provenant d’un système TDS ou de QCLs à blocage de mode.
Un dernier point important est la pertinence temporelle de cette proposition par rapport à ce sujet chaud et émergeant, mais aussi par rapport à la structuration nationale de la recherche dans ce domaine. Pour la première fois la chaine de fabrication complète (design quantique et optique, croissance épitaxiale, études et caractérisations) est disponible en France, notamment grâce à la démonstration récente de la croissance de QCL THz à l’état de l’art à l’IES. Un objectif de ce projet est donc également de tirer bénéfice de cette situation et de la faire perdurer en apportant au domaine des avancées significatives à fort potentiel applicatif.