Projet ANR-13-BS03-0001 – RE-LINQ : Non-Linéarités Résonantes Géantes des Lasers à Cascade Quantique
Programme : Blanc - SIMI 3 - Matériels et logiciels pour les systèmes et les communications (Blanc SIMI 3) 2013
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Sukhdeep DHILLON (UMR 8551 Laboratoire Pierre Aigrain)
Partenaires : Laboratoire de Photonique et de Nanostructures; Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques; Laboratoire Pierre Aigrain
Montant : 584517.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 36 mois
Résumé : Les Lasers à Cascade Quantiques (LCQ) sont des sources lasers puissantes utilisant des transitions intersousbandes, permettant une émission de forte intensité dans le moyen infrarouge (MIR) et dans la gamme Térahertz (THz). Outre l’importante puissance émise, ils possèdent également des susceptibilités nonlinéaires géantes associés à des excitations résonantes qui peuvent être plus importantes de plusieurs ordres de grandeurs par rapport à celles de matériaux massifs. Elles interviennent lorsqu’un photon incident a exactement la même énergie qu’une transition spécifique du matériau. Ces nonlinéarités résonantes ont démontré une multitude des processus efficace dans les LCQs MIR, tels que la génération de second harmonique, la somme de fréquence et la différence de fréquence pour atteindre des gammes de fréquences du spectre électromagnétique peu accessibles avec des sources lasers. Tous ces effets sont à base de nonlinéarités intersousbandes. 
Récemment, les membres du consortium ont démontré une nouvelle interaction avec les susceptibilités résonantes interbandes des LCQs THz. Nous avons montré qu’une interaction entre le rayonnement THz du LCQ, E(LCQ), et une excitation résonante interbande dans le proche infrarouge, E(NIR), peut avoir lieu, permettant la génération de bandes latérales THz sur la porteuse optique i.e. E(NIR)+E(LCQ) et E(NIR)-E(LCQ). Nous avons également mesuré une efficacité de conversion importante, comparable à celles obtenues dans des expériences avec des lasers à électrons libres (FEL). Ceci ouvre des perspectives d’applications pour la détection THz par « Up-conversion », décalage de longueur d’onde large bande, et la possibilité d’étudier les interactions intenses THz-optique avec des LCQs compacts et puissants. Ce projet à pour but de partir de ces résultats significatifs comme base pour en élaborer une compréhension fondamentale, d’optimiser l’interaction résonante et de démontrer ce phénomène ainsi que son efficacité à température ambiante. En particulier, nous utiliserons une combinaison cohérente de transitions intersousbandes et interbandes résonantes d’un LCQ. Le gain du LCQ sera utilisé pour annuler l’effet des pertes intersousbandes, et la susceptibilité interbande sera maximisée par « ingénierie » de structure de bandes.
Le projet est composé de trois parties distinctes. La première a pour but de fournir la base du projet avec la génération de bandes latérales THz sur un rayonnement optique avec les LCQs THz. Le processus sera optimisé et inclura l’étude des effets nonlinéaires des ordres supérieurs, ainsi que la faisabilité de la conversion de l’émission THz vers le proche infrarouge. Dans une deuxième partie, puisque l’efficacité de l’interaction devrait être indépendante de l’accord de phase, les LCQs MIR seront étudiés pour la première fois. Ceux-ci offrent un avantage significatif avec des densités de puissances plus fortes tout en fonctionnant à température ambiante. La dernière partie du projet tentera de combiner les connaissances acquises lors des deux premières parties avec l’utilisation de boîtes quantiques. Le confinement électronique permet d’obtenir des nonlinéarités de type atomique avec des susceptibilités s’approchant théoriquement de celles des nonlinéarités intersousbandes.
Le projet regroupe des laboratoires possédant des expertises importantes dans le domaine de la croissance des LCQs (LPN), du design et de la réalisation de structures intersousbandes (MPQ), de la spectroscopie optique/THz ultrarapide et nonlinéaire (LPA) afin de répondre aux objectifs de ce projet. La réalisation d’une telle conversion de fréquences aura un impact fondamental sur le contrôle des susceptibilités nonlinéaires interbandes et intersousbandes. De plus, une telle conversion de fréquences ouvrira de nouvelles perspectives quant aux fonctionnalités des LCQs : décalage de longueur d’onde large-bande tout-optique intégré et la détection THz avec les moyens technologiques du proche-infrarouge.