Photomixed terahertz emitters by multipolar photoconductive terahertz antennas

Sources térahertz photo-mélangées par antennes photoconductrices térahertz multipolaires Longtemps restreint au domaine de l’astronomie, la récente exploitation des ondes électromagnétiques aux fréquences térahertz (1 THz = 10^12 Hz) a permis de mettre en valeur un intérêt dans d’autres domaines tels que la spectroscopie THz, le contrôle non-destructif industriel, la sécurité et les télécommunications. Cependant, le manque de sources compatibles à des exploitations industrielles restreint le développement des possibles applications à ces fréquences. Cette thèse s’intéresse aux sources THz photo-mélangées continues, dont le principe consiste à superposer deux faisceaux lasers de fréquences proches (différence de fréquences proche de 1 THz) afin de permettre au battement optique résultant d’exciter un photo-mélangeur rayonnant à l’aide d’une antenne un signal à la différence de fréquence. Afin d’éviter un bruit de fréquence excessif qui résulterait d’une simple transposition du bruit de fréquence optique, une source bi-fréquence est utilisée afin d’assurer une corrélation entre les bruits des deux signaux, offrant in fine lors du battement une réduction de quatre ordres de grandeur du bruit de fréquence. La source utilisée est un laser semi-conducteur (InGaAs/GaAs) à émission verticale en cavité externe fonctionnant sur deux modes transverses de Laguerre-Gauss (LG) grâce à l’intégration de masques de pertes, l’un des modes étant le mode Gaussien fondamental, l’autre étant un mode d’ordre supérieur sans énergie au centre (typiquement LG_{0n} avec n = 2, 3 ou 4). Le laser réalisé émet un faisceau à une longueur d’onde de 1064 nm offrant plusieurs spots (2*n) dans l'espace transverse, où les 2 modes se superposent, générant ainsi un battement THz. Afin d’utiliser l’intégralité des spots disponibles et de démultiplier la puissance THz par le nombre de spots, l’étude d’antennes multipolaires a été effectuée, montrant de surcroît une possible exaltation du gain de deux antennes dipôles croisées comparé à un dipôle simple (6.5 dBi versus 2.2 dBi). Cependant, peu de photo-mélangeurs sont rapportés dans la littérature pour des excitations à la longueur d’onde de 1064 nm, malgré la disponibilité de composants et de lasers matures à forte puissance. L'étude d'un miroir à absorbant saturable rapide, constitué d'un puits quantique InGaAs/GaAs en surface (afin de réduire la durée de vie), a permis de montrer un effet photo-conducteur encourageant pour une possible émission THz, et l’étude d’électrodes plasmoniques sur InGaAs/GaAs a permis de démontrer une première émission THz continue. La continuité de ce travail peut ouvrir ainsi la voie à des sources THz continues 6 à 8 fois plus puissantes avec une efficacité de conversion optique-THz accrue et un gain de rayonnement supérieur aux solutions existantes.