L’exploitation de la dynamique des électrons ultra-rapides dans les lasers à cascade quantique (QCLs) est un énorme potentiel pour des sources THz à blocage de modes intenses et compactes, de la lumière THz comprimée, des mélangeurs de fréquence et des systèmes métrologiques à base de peigne de fréquence. Pourtant la dynamique intra-cycle a été particulièrement difficile à accéder dans les QCLs THz opérationnels. Dans un nouvel article publié dans Light: Science & Applications, une équipe de scientifiques d’Allemagne, de France, du Royaume-Uni et de Suède a montré des processus de mélange d’onde, où des ondes terahertz intenses interagissent à l’intérieur du QCL, pour mettre en lumière des non-linéarités extrêmement fortes. Ici, ce ne sont pas seulement deux, mais quatre, six et jusqu’à huit photons terahertz qui interagissent non-linéairement. Les données donnent aussi des informations sur la dynamique interne des électrons du laser sur une échelle de temps de l’ordre de la femtoseconde, incluant la récupération de la population des électrons excités après une forte impulsion non-linéaire. C’est un paramètre particulièrement important nécessaire pour construire des QCLs qui génèrent des impulsions terahertz ultracourtes.
La commutation non-linéaire aux fréquences terahertz pourrait aider à considérablement étendre la portée de la photonique terahertz, améliorer la vitesse des relais de télécommunications, et trouver des applications en analyse chimique, en médecine et pour des diagnostiques. Utiliser le QCL en lui-même comme milieu non-linéaire résout aussi un autre problème de longue date : l’amplification résonante des non-linéarités est habituellement accompagnée de pertes en absorption. A contrario, le milieu actif du laser permet une énorme amplification des non-linéarités combinée à un gain, c’est-à-dire une absorption négative. Ce fondement devrait encore favoriser les non-linéarités d’ordre supérieur. Après tout, huit photons qui interagissent n’est peut-être pas encore la fin de l’histoire.
Un laser à cascade quantique THz en tant que mélangeur non-linéaire où de multiples photons interagissent dans la cavité laser pour la génération d’harmoniques.
En savoir plus :
Riepl, J., Raab, J., Abajyan, P. et al. Field-resolved high-order sub-cycle nonlinearities in a terahertz semiconductor laser. Light Sci Appl 10, 246 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41377-021-00685-5
Informations complémentaires :
Laboratoire de physique de L’École normale supérieure (LPENS, ENS Paris/CNRS/Sorbonne Université/Université de Paris)
Auteur correspondant : Sukhdeep Dhillon
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