PHOTONIQUE POUR LES LASERS À CASCADE QUANTIQUE ...

tel-00740111, version 1 - 9 Oct 2012
Table des matières
Remerciements 8
Introduction 10
1 Introduction 12
1.1 Le TeraHertz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2 Domaine d’applications de la radiation THz . . . . . . . . . 13
1.2.1 Spectroscopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.2 Imagerie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3 Détection THz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4 Sources THz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4.1 Le “Gap” THz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4.2 Laser à électrons libres . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.3 Laser à gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.4 Conversion des micro-ondes vers le THz . . . . . . 20
1.4.5 Tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4.6 Photo-mélange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4.7 Laser semiconducteur THz . . . . . . . . . . . . . . 21
1.5 Les transitions inter-sous-bandes . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5.1 Définition et historique . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5.2 Principales utilisations des transitions inter-sous-bandes 23
1.5.3 Détecteur QWIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5.4 Structures à cascade quantique . . . . . . . . . . . 24
1.6 Etat de l’art des lasers à cascade quantique . . . . . . . . . 24
2 Théorie et modélisation des transitions inter-sous-bandes 26
2.1 Niveaux électroniques dans un puits quantique . . . . . . . 26
2.1.1 Théorème de Bloch . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.1.2 Modèle k · p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.1.3 Approximation de la fonction enveloppe . . . . . . . 27
2.1.4 Équation de Poisson . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.5 Schrödinger - Poisson . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2 Transition inter-sous-bandes . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3 Transition radiative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.1 Règle de sélection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33