Soutenance de thèse de Dongwei ZHAI

Mots clés  :  
UV PUMP,térahertz,carrier dynamics,redressement optique

Résumé :
Dans cette thèse, nous étudions la possibilité d'améliorer l’efficacité de la génération d’ondes térahertz (THz) par redressement optique en utilisant un pic de résonance du coefficient non-linéaire du cristal générateur. Tout d'abord, nous présentons un système THz multifonctionnel comprenant un spectromètre THz-TDS alimenté par un oscillateur paramétrique optique, une expérience de pompe optique/ sonde THz et enfin une configuration de génération par redressement optique. Dans un second temps, plusieurs expériences de génération THz par redressement optique sont menées en pompant des cristaux de ZnTe, GaSe, KTP et RKTP de l’ultraviolet vers l'infrarouge, afin d’utiliser des énergies de pompe inférieures et supérieures à celle de leur bande interdite. Nous observons clairement un pic d’émission lorsque les cristaux sont pompés près de leur bande interdite. Nous montrons que ceci provient d’un pic de non linéarité du cristal. Avec les cristaux de KTP et RKTP, nous observons même un deuxième pic à une énergie correspondant à la moitié de celle de la bande interdite. Nous démontrons que celui-ci vient également d’une exaltation de la non linéarité du cristal mais causée cette fois par l’absorption à deux photons du faisceau de pompe.
A notre connaissance, c’est la première fois que ce phénomène est rapporté. Cette étude nous permet également de montré que, contrairement à ce qui est habituellement publié, le cristal de KTP se comporte comme un cristal de bande interdite indirecte. L’étude expérimentale est complétée par une étude théorique. Nous proposons un modèle de génération THz par redressement optique prenant en compte la dispersion de la susceptibilité non linéaire d’ordre 2 et les effets de propagation dans le cristal tels que l’accord de phase entre les ondes optique et THz. Ce modèle est validé par comparaison avec les résultats expérimentaux obtenus avec les cristaux de ZnTe et GaSe dans leur bande de transparence. Ceci nous permet d’optimiser la largeur du spectre THz obtenu dans ces cristaux en jouant sur leur épaisseur. Finalement, dans une dernière étude sur la génération THz par redressement optique, nous nous intéressons à la configuration en réflexion, ce qui est peu étudié jusqu’à présent.

Cette thèse est complétée par deux études de caractérisation de semiconducteurs. La première concerne des nano-films d’ITO. L’épaisseur faible des échantillons nous conduit à utiliser des techniques d’optique intégrée. Les couches minces d’ITO sont ainsi déposées sur des guides d’onde en silicium ou en quartz. Nous retrouvons ainsi les caractéristiques THz de l’ITO, ce qui nous permet également d’estimer les paramètres expérimentaux nécessaires en vue d’une analyse de la dynamique des porteurs dans ce matériau. La deuxième étude concerne la durée de vie de porteurs photo-générés dans le GaAs mesurée par une expérience pompe optique/sonde THz. L'originalité de ce travail vient de l’accordabilité de la longueur d’onde de pompe que l’on fait varier de l’ultraviolet à l’infrarouge. Pour la première fois, nous observons un pic de la durée de vie des porteurs à une énergie de pompe de 2.6 eV. L’amplitude de ce pic augmente fortement avec la puissance de pompe. Nous montrons que cette effet ne peut s’expliquer par une excitation dans des bandes de conduction supérieures, ni par de la diffusion inter-vallées, sans toutefois trouver une explication satisfaisante.

Membres du jury :

• Jean-louis COUTAZ, Professeur émérite, Université de Savoie Mont-Blanc : Directeur de thèse
• Frederic GARET, Professeur des universités, Université de Savoie Mont-Blanc : CoDirecteur de thèse
• Patricia SEGONDS, Professeure des universités, Université Grenoble Alpes : Examinateur
• Carlo SIRTORI, Professeur, Ecole Normale Supérieure : Examinateur
• Valdas PASISKEVICIUS, Professeur, Royal Institute of Technology : Rapporteur
• Eric FREYSZ, Directeur de recherche, Université de Bordeaux  : Rapporteur