Amplifier les impulsions térahertz grâce à la commutation de gain

Des physiciens du laboratoire Pierre Aigrain de l’Ecole normale supérieure ont transformé un laser térahertz en amplificateur par l’adjonction d’un commutateur ultrarapide. Leurs résultats constituent une avancée prometteuse pour le térahertz.

Le térahertz est une partie du spectre pauvre en sources et détecteurs, notamment à des puissances élevées. C’est pourquoi des physiciens du laboratoire Pierre Aigrain de l’ENS, en collaboration avec le laboratoire Matériaux et phénomènes quantiques et l’université de Leeds ont mené des recherches pour mettre au point un amplificateur. « Pour créer un amplificateur, on peut songer à utiliser les lasers à cascade quantique térahertz, qui présentent un gain important à ces fréquences. Cependant, le gain obtenu est toujours limité, bloqué au niveau des pertes de la cavité laser », explique Jérôme Tignon, enseignant-chercheur, qui a dirigé le projet avec le chercheur Sukhdeep Dhillon. Lorsqu’un laser fonctionne en régime stationnaire, il n’est pas possible de tirer profit de tout le gain disponible pour une amplification optimale. Or, contrairement à ce qui peut se faire en optique, il est très difficile de réaliser dans le domaine térahertz des traitements antireflets de qualité pour éliminer les réflexions dans la cavité et supprimer les oscillations laser.« Le phénomène de blocage du gain n’intervient qu’en régime stationnaire, poursuit-il. Nous avons donc eu l’idée d’utiliser un commutateur très rapide pour déclencher le laser. » Le commutateur est ouvert une picoseconde avant l’arrivée de l’impulsion térahertz que l’on souhaite amplifier. Si la synchronisation est bien réalisée, l’oscillation laser n’a pas le temps de s’établir avant l’arrivée de l’impulsion et l’énergie stockée sert intégralement à amplifier le signal. Dans la pratique, l’impulsion effectue quelques allers-retours dans la cavité laser (par réflexion sur les miroirs), ce qui augmente d’autant le gain de l’amplification et a permis d’obtenir un facteur 400 après 7 passages.

Spintronique, imagerie et étude des supraconducteurs

« D’un point de vue fondamental, c’est un résultat très intéressant, commente le chercheur. La commutation de gain était connue, mais dans un autre contexte. Dans la pratique, cela permet de disposer d’impulsions térahertz amplifiées pour une utilisation en laboratoire et éventuellement des dispositifs à venir. » Pour le laboratoire, ces résultats permettent de mieux comprendre le laser à cascade quantique et de continuer à améliorer ces dispositifs. Dans le cadre de projets térahertz, les chercheurs pourront profiter de cet amplificateur en spintronique, en imagerie ou encore pour l’étude des supraconducteurs ou des composés chimiques. « Cela servira aussi à d’autres chercheurs, mais l’amplificateur ne peut pour l’instant pas sortir du laboratoire car il doit être employé à basse température », précise-t-il. Cet amplificateur constitue une avancée importante dans le domaine du térahertz. Un autre groupe de chercheurs avait tenté d’obtenir un résultat semblable, en modifiant la cavité du laser, mais l’amplification n’était pas importante et le mode d’émission était affecté. « La plus grande difficulté a été de trouver l’idée et les bonnes conditions pour sa mise en pratique. C’est un travail d’équipe, avec des collaborations efficaces », insiste Jérôme Tignon. « D’un point de vue technique, il faut envoyer une impulsion térahertz dans le guide laser, c’est une manipulation délicate. Il faut aussi réussir à synchroniser le commutateur ultra rapide. » CGLes labo impliqués – Laboratoire Pierre Aigrain, UMR 8551 :