Nonlinéarités optiques résonantes dans des lasers à cascade quantique

La susceptibilité nonlinéaire d’un matériau est un facteur déterminant pour l’efficacité de tout processus optique nonlinéaire. Dans le cas d’un processus du deuxième ordre (génération de deuxième harmonique ou génération de somme/différence), l’efficacité de conversion de la fréquence fondamentale vers la fréquence générée est proportionnelle au carré de la susceptibilité du deuxième ordre, χ(2). Ces susceptibilités sont relativement faibles dans la plupart des matériaux massifs ( 100pm/V en AsGa). Ainsi, pour atteindre des efficacités de conversion satisfaisantes, un accord de phase au sein du matériau est nécessaire.

Une approche alternative consiste à exploiter les susceptiblités nonlinéaires résonantes, qui ont lieu lorsqu’un photon incident a précisément la même énergie qu’une transition particulière du matériau. En effet, les susceptiblités nonlinéaires résonantes sont des ordres de grandeurs plus grandes que celle des matériaux massifs. Dans ce travail, l’équipe de « Spectroscopie THz ultra-rapide » du LPA (ENS) a démontré qu’un mélange de fréquence efficace peut être réalisé entre un photon optique (énergie eV) et un photon térahertz (THz) (énergie meV) au sein d’un laser simple et compact – le laser à cascade quantique (LCQ). Ici le photon optique est résonant avec la transition interbande ce qui permet d’atteindre une susceptibilité aussi élevée que 104pm/V. Ainsi, une conversion de fréquence efficace est obtenue sans les considérations d’accord de phase.

Au delà de son intérêt fondamental sur les interactions nonlinéaires résonantes, ce travail ouvre des perspectives d’applications dans le domaine des télécommunications où le LCQ serait utilisé comme convertisseur de longueur d’onde ou comme détecteur de rayonnement THz.

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Référence :
J. Madéo, et al. “All-optical wavelength shifting in a semiconductor laser using resonant nonlinearities”, Nature Photonics 6, 519-524 (2012).

Contacts :
jerome.tignon@lpa.ens.fr ; sukhdeep.dhillon@lpa.ens.fr