laser cascade quantique

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Resonant Second-Order Nonlinear Optical Processes in Quantum Cascade Lasers Renée Charrière Rémi Soulard Djibril Diallo 31/01/07

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Page 1: Laser Cascade Quantique

Resonant Second-Order Nonlinear Optical Processes in Quantum

Cascade Lasers

Renée Charrière

Rémi Soulard

Djibril Diallo

31/01/07

Page 2: Laser Cascade Quantique

Introduction

QCL

SL

1) Fonctionnement d’un laser à cascade quantique

2) Effets non linéaires résonants du second ordre

3) Résultats expérimentaux

ω1

QCL ω2

2ω1

ω1 + ω2

2ω2

ω1

ω2 7,1 μm

9,5 μm

4,7 μm

3,6 μm

4,1 μm

Page 3: Laser Cascade Quantique

Laser inter-sous-bande Laser à cascade quantique

Emission dans l’IR

Laser inter-bande

- Accordable : 3 à 15 μm

(épaisseur des puits)

Emission multi-photonique

- Un seul e-

1) Fonctionnement d’un laser à cascade quantique

Page 4: Laser Cascade Quantique

Application d’un champ électrique : régime de fuite par effet tunnel

Guidage de l’électron dans une structure à multi-puits quantiques couplés :injection de l’électron dans la zone active

e

L’électron est injecté dans la zone active par effet Stark longitudinal

il y a alors inversion de population :

L’électron peut contribuer à l’effet laser

Page 5: Laser Cascade Quantique

Effets non linéaires résonnants du second ordre

• même principe que pour le laser à cascade quantique :

transitions inter sous-bandes

• dans notre laser les effets non linéaires ont lieu principalement dans la SL et le QCL à 7,1 µm

SL

λ1 = 7,1µm

λ2 = 9,5µm

Lieu des effetsnon linéaires

2ω1

ω1+ω2

2ω2

Page 6: Laser Cascade Quantique

• Transitions mises en jeu dans la SL

Effets non linéaires résonnants du second ordre

• la susceptibilité non linéaire du second ordre est non nulle grâce à la dissymétrie des puits

Génération de la somme de fréquences

1 2 3ω1

ω2

ω1+ω2

31

Page 7: Laser Cascade Quantique

Effets non linéaires résonnants du second ordre

• Transitions mises en jeu dans le QCL à 7,1 µm

Génération de la somme de fréquences

• le laser à cascades nécessite d’appliquer aux bornes de la structure un champ électrique élevé

• le biais induit par effet Stark par ce champ sur les bandes permet d’avoir une susceptibilité du second ordre non nulle

Transition laser

Page 8: Laser Cascade Quantique

Effets non linéaires résonnants du second ordre

• Intérêt d’avoir des transitions résonnantes

expression simplifiée de la susceptibilité du second ordre pour de la SHG

termes divergents à résonance

• Mais ce n’est pas suffisant pour avoir une génération efficace de nouvelles fréquences

• l’accord de phase

• recouvrement du mode fondamental avec les harmoniques

• recouvrement des faisceaux avec les porteurs permettant les effets non linéaires

Page 9: Laser Cascade Quantique

Effets non linéaires résonnants du second ordre

• Exemple de réalisation d’accord de phase avec superposition des modes fondamentaux et harmoniques

Génération de second harmonique

quasi égalité des vitesses de groupe

Et par ailleurs bon recouvrement spatial entre la pompe (TM00), l’harmonique (TM02) et la zone active…

Page 10: Laser Cascade Quantique

InP Substrat, 200µm

QC laser à 7.1 µm, 0.75µm

InGaAs buffer, 0.5µm

Superlattice, 0.22µm

QC laser à 9.6 µm, 0.95µm

InGaAs 0.2 µm

AlInAs 2.8 µm

InGaAs 0.5 µm

AlInAs 0.8 µm

Structure de l’echantillon

Page 11: Laser Cascade Quantique

SL

ω1

ω2

Condition pour une génération de second harmonique efficace

Region active

Pompage efficace

Accord de phase

La distribution spatiale des modes se aa chevauche entre elles ainsi qu’avec aa la région active

Page 12: Laser Cascade Quantique

Faible dispersion du guide d’onde dans l’infrarouge moyen

Indices effectif des modes sont proches

Somme des fréquences

µ1 = 3.259

µ2= 3.299

µ3 = 3.354

Δk=k3-k2-k1 = 600 cm-1

Х(2) = 0.8 µm / V (1pm / V dans le KTP)

Page 13: Laser Cascade Quantique

Résultats

« Le fond se lèvent lentement » Emission spontanée

Page 14: Laser Cascade Quantique

Résultats

Le courant augmente à travers la structure N3 augmente

Page 15: Laser Cascade Quantique

Conclusion