Développement d`une source de radiation térahertz (THz) intense et

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Université du Québec
INRS-Énergie, Matériaux et Télécommunications
Développement d’une source de radiation térahertz
(THz) intense et mise en forme d’impulsions THz à
partir d’une antenne de grande ouverture de ZnSe
Par
Xavier ROPAGNOL
Thèse présentée pour l’obtention du grade de Philosophiæ Doctor (Ph. D.)
en sciences de l’énergie et des matériaux
Jury d’évaluation
Président du jury Dr. Patrizio Antici
Et examinateur interne INRS-EMT
Examinateur externe Dr. Denis Morris
Université de Sherbrooke
Examinateur externe Dr. Michel Piché
Université de Laval
Codirecteur de recherche Dr. Matt Reid
University of North British Columbia
Directeur de recherche Dr. Tsuneyuki Ozaki
INRS-EMT

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Résumé
Dans cette thèse, nous avons développé une source de radiations THz de haute
intensité réalisée à partir d’une antenne photoconductrice de grande ouverture
interdigitale de ZnSe. Avant d’arriver à la réalisation de la source, qui est le but majeur,
nous sommes passés par une multitude d’étapes.
La première étape a été l’étude et la comparaison des performances des antennes
photoconductrices de grandes ouvertures de ZnSe monocristallin et polycristallin. Nous
avons démontré que ce type d’antenne doit être excité à la longueur d’onde de 400 nm
afin d’être plus efficace. D’autre part, nous avons observé que le champ électrique THz
sature lorsque l’antenne est excitée avec de très hautes fluences. Par la suite, nous avons
comparé les performances des antennes de grande ouverture de ZnSe monocristallin
excitées à la longueur d’onde de 400 nm aux antennes photoconductrices de grande
ouverture de GaAs excitées à la longueur d’onde de 800 nm. Nous en avons conclu que
les antennes de ZnSe avaient un plus grand potentiel pour générer des impulsions THz de
hautes intensités et pouvaient être plus efficaces.
La deuxième étape a été de créer une technique permettant la mise en forme
d’impulsion THz sur des antennes interdigitales. Cette technique, qui consiste à couvrir la
structure interdigitale de l’antenne par un masque de phase binaire, permet de moduler la
forme d’une impulsion THz allant d’une impulsion asymétrique demi-cycle à une
impulsion symétrique monocycle. Cette technique a été démontrée dans un premier temps
sur une antenne photoconductrice de grande ouverture interdigitale de GaAs puis enfin
sur une antenne photoconductrice de grande ouverture interdigitale de ZnSe.
Enfin, la dernière étape a été de caractériser l’antenne photoconductrice de grande
ouverture à structure interdigitale de ZnSe. Nous avons généré des impulsions d’une
énergie de 3.6 µJ. Cette énergie est plus de quatre fois supérieure à celle qui avait été
générée par une antenne de GaAs. Le champ électrique THz crête équivalent est de 143
kV/cm.
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Étudiant Directeur de recherche

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Remerciements
J’aimerais exprimer toute ma reconnaissance envers mes deux directeurs de
recherche, le professeur Tsuneyuki Ozaki et le professeur Matt Reid, qui m’ont guidé tout
au long de mes six années d’études en plus de m’accorder leur plus grande confiance. La
complémentarité des expertises de mes directeurs a définitivement été une combinaison
propice à l’avancement de mes connaissances et au succès de ce travail de recherche.
Je tiens à remercier en particulier Antoine Laramé, Francois Poitras, Éric McNeil,
Mathieu Giguère ainsi que Rob Helsten qui appartiennent à l’équipe technique de ALLS
et de UOP et sans qui aucune expérience ne serait possible. Je remercie également
Léonard Pelletier, Claude Sirois et Carol Morissette appartenant à l’équipe technique de
l’atelier mécanique et qui font un travail fantastique dès que l’on en a besoin.
Merci à Francois Blanchard qui a été un excellent tuteur au début de ma thèse et
un très bon conseiller à la fin de ma thèse. Je remercie tous mes collègues de l’équipe
THz à savoir, Gargi Sharma, Mustapha Shalabi, Hassan Said, Akram, Ibrahem avec qui
j’ai toujours eu un immense plaisir à travailler très tard dans la nuit sur des expériences
THz.
Je remercie David Duschene, Irina Stateskina, Sébastien Buffechoux et Julien
Derr, Semen Gdnyuk personnes au combien importantes dans la communauté
scientifique avec qui je suis devenu ami.
J’adresse également mes remerciements aux membres du jury : Le professeur Denis
Morris, le professeur Michel Piché et le professeur Patrizio Antici qui ont bien voulu
consacrer de leurs temps pour évaluer ce travail de thèse.
Finalement, le support moral qui est des plus importants en tout temps, je le dois à
ma famille, qui malgré la distance ont toujours su me soutenir.

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Avant-propos
Mes études de doctorat ont eu lieu au sein du Laboratoire de Source
Femtosecondes (LSF), connu également sous le nom de ALLS (Advanced Laser Light
Sources), de l’Institut National de Recherche Scientifique-centre Énergie Matériaux
Télécommunications (INRS-EMT). Ce projet a été subventionné dans le cadre des Fonds
Canadiens à l’Innovation (FCI) et consiste en une infrastructure nationale de lasers
femtoseconde multi-faisceaux.
Le projet LSF est un consortium regroupant 14 universités canadiennes (dont
l’INRS, U. Alberta, UBC, U. Calgary, U. Laval, McGill, U. Sherbrooke, U. Toronto, etc),
3 laboratoires gouvernementaux (CNRC-Steacie, CNRC-IMI, DRDC) et de 17
institutions internationales (notamment SUNY (USA), Kansas State Univ. (USA), LLNL
(USA), UCLA (USA), Imperial College (UK), École Polytechnique (France), Max
Planck (Allemagne), Riken (Japon) ect).
L’idée générale du projet LSF est d’utiliser une pluralité d’interactions laser,
s’étendant du rayonnement X à l’infrarouge, avec une puissance crête suffisante pour
manipuler la matière à volonté et sonder sa dynamique. Le cœur du LSF est un système
laser multi-lignes à la fine pointe basé sur le concept le plus récent en matière de
technologie Ti :Saphir ultra rapide. Diverses sources de lumière contribuent à un “arc-en-
ciel“ séparé dans plusieurs lignes lasers qui émettent des flux photoniques très élevés
avec des durées d’impulsions femto- et attosecondes à diverses longueurs d’ondes.
C’est dans ce contexte motivant que mes recherches de doctorat ont été réalisées
et dont le premier but était de développer une nouvelle source de radiations THz de haute
intensité faite à partir d’une antenne photoconductrice de grande ouverture interdigitale
de ZnSe

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Table des matières
Résumé ii
Remerciements iii
Avant-propos iv
Liste des articles et conférences
Liste des tableaux et figures
Liste des acronymes
Chapitre I – Introduction_________________________________________________1
1-1 Les ondes électromagnétiques de fréquences THz 1
1-2 Les sources THz de hautes intensités et leurs applications dans l’optique non-
linéaire 2
1-3 La mise en forme d’impulsion THz 5
1-4 Objectifs et approches scientifiques 6
1-5 Contexte de la thèse 7
Chapitre II - Génération et détection d’ondes THz de hautes intensités___________9
2-1 La génération d’ondes THz de hautes intensités 9
2-1-1 Les antennes photoconductrices 10
2-1-1-a Origine de l’énergie contenue dans l’impulsion THz 12
2-1-1-b Potentiel des antennes photoconductrices comme source de radiation THz
de haute intensité 13
2-1-1-c Les antennes photoconductrices de grandes ouvertures 14
2-1-1-d Les antennes photoconductrices à structure interdigitale 16
2-1-2 Le redressement optique 18
2-1-2-a Théorie et choix du matériau pour le RO 18
2-1-2-b : Génération d’ondes THz dans un cristal de LiNbO3 par la technique
d’inclinaison du front d’onde 23
2-1-3 : Les sources de radiations THz basées sur la technique du plasma laser 25
2-1-4 : Comparatif des principales sources de radiations THz de haute intensité 29