Ultrfast terahertz spectroscopy and nonlinear optical properties of semiconductor nanostructures

Ce mémoire de thèse présente deux études expérimentales dans le domaine de la dynamique ultra-rapide des porteurs dans les nanostructures semiconductrices: 1. Le développement de la spectroscopie Térahertz dans le domaine temporel (THz-TDS) et son utilisation pour mesurer le gain d un laser à cascade quantique GaAs/AlGaAs. 2. L étude des effets de 3ième ordre en optique non linéaire dans des verres de Tellure dopés en nanocristaux AgCl, par "Z-scan" et mélange à quatre ondes (DFWM). A cette fin, nous avons d abord construit un montage de spectroscopie Térahertz dans le domaine temporel avec deux sources de rayonnement différentes : la rectification optique dans un cristal non-lineaire ZnTe et par ailleurs des antennes interdigités photoconductrices. Dans un premier temps, nous avons étudié la compétition entre la rectification optique, la génération de second harmonique, l absorption à deux photons, et l absorption par les porteurs libres. Le faisceau pompe subit une absorption à deux photons et le rayonnement THz émis est diminué, dans les conditions de focalisation, par l absorption des porteurs libres. La réduction de l émission THz dans les conditions de focalisation est expliquée, à condition de tenir compte des effets de la diffraction de la source THz sub-longueur d onde. Dans un deuxième temps, nous avons étudié les propriétés de l émission THz dans le domaine temporel et spectral d un nouveau type d antenne photoconductive interdigitée basée sur du GaAs semi-isolant, en fonction de la densité de porteurs et dans une gamme de température allant de 4.2K à 270K. Les propriétés de l émission THz sont linéaires pour de faibles tensions appliquées mais révèlent des effets de saturation pour des tensions importantes en raison de la diffusion inter-vallées de la bande à la bande L. Les performances THz saturent aussi pour de fortes excitations laser à raison de l écrantage des charges. La dynamique des porteurs à été étudiée expérimentalement pour différentes températures. Le spectre THz de l émission se déplace vers les basses fréquences lorsque la température augmente. L influence de la mobilité électronique est discutée. Dans une troisième partie, après avoir comparé les deux méthodes de génération THz ci-dessus et décidé d utiliser les antennes photoconductives comme source d excitation pour notre montage THz-TDS, nous avons étudié le gain et les pertes d un laser à cascade quantique (LCQ) fonctionnant à 2.9 THz. Nous avons étudié les variations du gain en fonction du courant injecté, à différentes températures. Nous avons mesuré les spectres d amplitude et de phase THz, permettant une détermination directe du gain. A la fréquence de fonctionnement du LCQ, nous mesurons un gain de 6.5cm-1. Des effets comme le clampage du gain et l affinement spectral du gain sont observés et discutés. Pour finir, nous avons étudié le coefficient de polarisabilité d ordre 3 des verres de Tellure (80TeO2-20Nb2O5) dopés en nanocristaux AgCl. Nous avons produit des échantillons par les techniques fonte-trempe et traitement thermique. Les résultats de la caractérisation révèlent qu un traitement plus long augmente la tailles des nanocristaux qui donne lieu à l apparition de plus de défauts et une plus grande déformation du réseau cristallin des nanocristaux aux interfaces avec le verre. Des états électroniques piégés apparaissent sous l effet de la déformation de la structure cristalline. Une forte absorption à deux photons et une absorption des états électroniques piégés réduit le seuil de la limitation optique. Le coefficient polarisabilité non linéaire (3) augmente à cause de la formation des défauts et des états électronique localisés.PARIS-BIUSJ-Thèses (751052125) / SudocPARIS-BIUSJ-Physique recherche (751052113) / SudocSudocFranceF