COMPRENDRE les lasers À cascade quantique
LES LASERS À CASCADE QUANTIQUE
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Angela VASANELLI *, Carlo SIRTORI
Laboratoire de Physique de l ' ENS, Université Paris Cité, Ecole normale supérieure, Université PSL, Sorbonne Université, CNRS, 75005 Paris( France) * angela. vasanelli @ phys. ens. psl. eu
Les lasers à cascade quantique sont des sources de lumière cohérente qui émettent dans une bande spectrale très large: de l’ infrarouge moyen jusqu’ aux THz. Ils exploitent des transitions entre niveaux électroniques issus du confinement spatial dans des puits quantiques de semiconducteur. Cet article présentera les principes de fonctionnement des lasers à cascade quantique, notamment l’ ingénierie des structures de bande de la région active, permettant de réaliser l’ inversion de population. https:// doi. org / 10.1051 / photon / 202613856
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Les lasers à cascade quantiques( QCLs) ont été démontrés pour la première fois en 1994 aux Laboratoires Bell de la compagnie américaine de téléphone AT & T [ 1,2 ]. Ils exploitent des transitions optiques entre états confinés de la bande de conduction d’ un système de puits quantiques de semiconducteur couplés par l’ effet tunnel. Le QCL est en conséquence un dispositif unipolaire, qui emploie uniquement les électrons pour son fonctionnement. À la différence des autres lasers à semiconducteurs, la longueur d’ onde d’ émission des QCLs n’ est pas fixée par la bande interdite du semiconducteur, mais elle est essentiellement déterminée par le profil de potentiel électronique issu de la séquence de puits quantiques couplés. La conception de ces potentiels, connue comme « ingénierie des structures de bande », donne lieu à des matériaux artificiels et elle est au cœur de la physique des QCLs. Grâce à l’ ingénierie des structures de bandes, il est possible de réaliser des QCLs avec longueur d’ onde d’ émission sur deux décades du spectre électromagnétique( 3 µ m < λ < 300 µ m), en utilisant toujours les mêmes matériaux semiconducteurs de base. Les principaux systèmes de matériaux utilisés aujourd’ hui pour réaliser des QCLs sont InGaAs / AlInAs sur substrat InP pour l’ infrarouge moyen et GaAs / AlGaAs sur substrat
GaAs pour le THz. Ces systèmes de matériaux semiconducteurs ont l’ avantage de bénéficier de techniques de croissance et de procédés de fabrication très matures, qui ont été développés pour les technologies des télécommunications. L’ objectif de cet article est de présenter le principe de fonctionnement des QCLs [ 3 ]. Pour réaliser un QCL, comme tout autre laser, il faut deux éléments de base: un milieu à gain et un résonateur optique. Les résonateurs optiques utilisés pour les QCLs sont généralement similaires à ceux employés pour réaliser les diodes lasers, notamment les Fabry-Perot en ruban( comme dans l’ image en début d’ article) pour un fonctionnement multi-mode, ou les lasers à
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