Les lasers à cascade quantique (QCL) sont des sources semi-conductrices compactes, exploitant des matériaux à base des semiconducteurs ‘III-V’ qui ont d’abord été développés dans l’infrarouge moyen (IR moyen) et, depuis 2002, dans la gamme de fréquence THz. L’effet laser résulte de transitions électroniques intrabandes dans une suite de régions actives formées d’une juxtaposition de puits quantiques, et dont l’extraction des électrons de l’une d’elle correspond à l’injection de la suivante de sorte qu’un même électron participe à plusieurs transitions. L’ensemble des caractéristiques du laser peut donc être contrôlé par des structures de bandes artificielles et par la conception de super-réseaux de semi-conducteurs. Le concept QCL a permis de réaliser des sources puissantes et compactes dans des régions du spectre électromagnétique auparavant inaccessibles. Dans la gamme THz (> 50 µm), les QCL ont également montré des performances remarquables entre 1-5 THz, avec démonstration de hautes puissances (> 1 W), d’une ingénierie photonique et de champ lointain, et de très fines largeurs de raies. Ces avancées ont notamment permis, alors que les QCL fonctionnaient depuis 2002 à la température de l’hélium liquide, la commercialisation de QCL THz fonctionnement sur des refroidisseurs Peltier peu coûteux.

Par ailleurs, les lasers à cascade interbandes (ICL) ont fortement impacté la région de l’infrarouge ‘mid-wave’ (région de 3 µm à 5 µm) depuis une décennie. Ces sources à semi-conducteurs combinent la transition interbande d’un laser à diode classique avec le schéma de cascade efficace en tension introduit par le laser à cascade quantique (QCL). Ces lasers sont importants car ils ont généralement des seuils laser qui sont un ordre de grandeur inférieurs à ceux des QCL, ce qui les rend idéaux pour les systèmes extrêmement compacts, stables et alimentés par batterie.

Avec ces développements technologiques, l’intérêt s’est tourné vers le fonctionnement fondamental et les applications de ces dispositifs. Le groupe s’intéresse particulièrement à la réponse ultrarapide et non linéaire des QCLs et ICLs. En effet, des travaux récents montrent que ces dispositifs sont extrêmement rapides, avec une dynamique de plusieurs ordres de grandeur plus rapides que les autres lasers, et avec des non-linéarités géantes. Cela a un impact sur une grande variété d’applications, du blocage de mode et des peignes de fréquence à l’optique quantique THz, ajoutant de nouvelles fonctionnalités intéressantes à ces parties du spectre électromagnétique.