FR2958809A1 - Methode de stabilisation de la frequence d'emission d'un laser a cascade quantique, dispositif associe - Google Patents

Methode de stabilisation de la frequence d'emission d'un laser a cascade quantique, dispositif associe Download PDF

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Abstract

Méthode de stabilisation de la fréquence d'émission, WQCL, d'un laser à cascade quantique (QCL) (10) par contrôle du courant d'attaque dudit laser et mettant en œuvre une boucle de verrouillage de phase où au moins une partie du faisceau laser émis par le laser à cascade quantique et un faisceau laser femto seconde, dont le signal a une largeur de bande en fréquence Δω, convergent vers un dispositif de combinaison non linéaire (30) pour produire un signal combiné, S1(t) et où Δω est supérieure ou égale à ωQCL, puis on mélange le signal combiné S1(t) avec un signal de référence Sref(t) grâce à un dispositif mélangeur (40) pour générer un signal de sortie Sout(t) qui est introduit dans un dispositif de verrouillage de phase (60) pour générer un signal d'erreur Serr(t) utilisé pour contrôler le courant d'attaque du laser à cascade quantique.

Description

METHODE DE STABILISATION DE LA FREQUENCE D'EMISSION D'UN LASER A CASCADE QUANTIQUE, DISPOSITIF ASSOCIE La présente invention concerne une méthode de 5 stabilisation de la fréquence d'émission d'un laser à cascade quantique et un dispositif associé. Les lasers à cascade quantique (« QCL » pour « quantum cascade laser » en anglais) constituent une classe récente de sources laser pour le moyen et lointain infrarouge. Ces 10 lasers sont des lasers à semi-conducteurs, unipolaires, qui tirent leur gain optique de transitions entre sous bandes dans la bande de conduction de puits quantiques couplés. Un recyclage des électrons est exploité par une cascade de régions actives mise en série. Leur caractéristique la plus 15 remarquable est que la longueur d'onde d'émission ne dépend pas du gap des matériaux employés, mais de l'épaisseur des puits quantiques de la zone active. Il convient de noter que les lasers mis en oeuvre dans la présente invention sont alimentés avec une source de courant continu, générant un 20 courant d'attaque. L'invention concerne plus particulièrement des lasers à cascade quantique dits « Terahertz » dont la fréquence d'émission est dans la gamme du THz (1012 Hz). On considère que le domaine du Terahertz (parfois qualifié de domaine 25 des « rayons T »), s'étend d'environ 100 GHz à quelques milliers de GHz, soit quelques THz. Cela correspond à des longueurs d'ondes comprises entre une trentaine de pin et deux à trois mm. L'invention concerne également des lasers à cascade 30 quantique dont la fréquence d'émission est supérieure aux plages précitées et peut atteindre 60 THz, voire même 100 THz.
Selon des modes de réalisation, un laser à cascade quantique peut être obtenu en utilisant des guides métal-métal ou bien des guides simple-plasmon pour le confinement optique vertical.
A titre d'exemples, des lasers à cascade quantique peuvent être réalisés par des empilements ultraminces de semi-conducteurs de type GaAs/AlGaAs ou InGaAs/AlInAs. L'utilisation des lasers QCL comme oscillateur susceptible de générer une onde continue dont la fréquence d'émission est stable a fait l'objet de travaux récents, notamment ceux divulgués dans les publications suivantes : - « Phase locking of a 1.5 Terahertz quantum cascade laser and use as a local oscillator in a heterodyne HEB receiver » de D. Rabanus, U.U. Graf, M. Philipp, O. Ricken, J. Stutzki, B. Vowinkel, M.C. Wiedner, C. Walther, M. Fischer, J. Faist (2 February 2009/ Vol. 17, No.3 / Optics Express 1159), où la stabilisation de la fréquence d'émission d'un laser à cascade quantique émettant à 1,5 THz est de l'ordre de 100 Hz et est obtenue grâce à un signal micro-onde externe couplé avec celui du laser à cascade quantique dans un mélangeur constitué par un bolomètre à électrons chauds. Le signal micro-onde de référence est généré par une source micro-onde à basse fréquence, suivie de plusieurs stades de multiplication qui permettent de multiplier la fréquence de base jusqu'à atteindre la fréquence d'émission du laser à cascade quantique. - « Phase locking of a 2.7 THz quantum cascade laser Co a microwave reference » de P. Khosropanah, A. Baryshev, W. Zhang, W. Jellema, J.N. Hovenier, J.R. Gao, T.M. Klapwijk, D.G. Paveliev, B.S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, J.L. Reno, B. Klein and J.L. Hesler (Optics Letters/ Vol. 34, No. 19/ October 1, 2009), où la stabilisation de la fréquence d'émission d'un laser à cascade quantique émettant à 2.7 THZ est obtenue par une méthode similaire à celle présentée dans la publication précédente.
Ces méthodes permettent la stabilisation de la fréquence d'émission d'un laser à cascade quantique grâce à une boucle de verrouillage de phase mais présentent l'inconvénient de nécessiter l'usage d'un bolomètre. Un tel appareil qui fonctionne avec des supraconducteurs nécessite de coûteux moyens de cryogénie, notamment en terme de consommables, mettant notamment en oeuvre de l'Hélium liquide. L'autre inconvénient des méthodes ci-dessus est de nécessiter d'une source micro-onde multipliée pour la stabilisation du laser à cascade quantique. Ce type de source est limité par la technologie actuelle et génère des puissances très basses dans la gamme THz. En outre, l'accordabilité en fréquence de ce type de source est restreinte à approximativement 10% de la fréquence centrale. Il en résulte une absence de souplesse et la nécessité d'utiliser une source adaptée spécifiquement pour un laser à cascade quantique donné. Il convient de noter que les lasers QCL sont en général refroidis, mais à des températures de l'ordre de 80 K à 150 K, susceptibles d'être atteintes avec des moyens simples de cryogénie mettant en oeuvre par exemple l'azote liquide. Le but de la présente invention est de proposer une méthode de stabilisation de la fréquence d'émission d'un laser à cascade quantique performante et peu onéreuse, ne nécessitant notamment pas l'utilisation de dispositif du type d'un bolomètre et/ou de source micro-onde multipliée. L'invention propose ainsi une méthode de stabilisation de la fréquence d'émission, wQcL, d'un laser à 4 cascade quantique (QCL), alimenté avec une source de courant continu générant un courant d'attaque, par contrôle du courant d'attaque dudit laser et mettant en oeuvre une boucle de verrouillage de phase où au moins une partie du faisceau laser émis par le laser à cascade quantique et un faisceau laser femto seconde, dont le signal a une largeur de bande en fréquence à 1% d'intensité, Lwl, convergent vers un dispositif de combinaison non linéaire pour produire un signal combiné, S1(t) et où la largeur de bande en fréquence à 1% d'intensité du signal du faisceau laser femto seconde ,%%w1 est supérieure ou égale à la fréquence d'émission QCL du laser à cascade quantique, puis on mélange le signal combiné S1(t) avec un signal de référence Sref(t) grâce à un dispositif mélangeur pour générer un signal de sortie Sout(t) qui est introduit dans un dispositif de verrouillage de phase pour générer un signal d'erreur Serr(t) utilisé pour contrôler le courant d'attaque du laser à cascade quantique. Grâce à la combinaison mettant en oeuvre un cristal non linéaire d'au moins une partie du faisceau du laser à cascade quantique avec celui d'un faisceau laser femto seconde dans les conditions précitées, il est possible d'obtenir une excellente stabilité de la fréquence d'émission du laser à cascade quantique tout en évitant l'utilisation de dispositif du type d'un bolomètre et de source micro-onde multipliée. On obtient en outre de manière très avantageuse la possibilité d'effectuer la stabilisation de la fréquence d'émission de n'importe quel laser à cascade quantique grâce à une boucle de verrouillage de phase pourvu que la fréquence d'émission dudit laser à cascade quantique QCL soit inférieure à Aw1. En outre, la même méthode ou le même dispositif associé peut être utilisé pour la stabilisation de la fréquence d'émission de plusieurs lasers à cascade quantique, utilisés seuls ou en combinaison. Selon l'invention, on entend par : « non linéaire », un milieu présentant une susceptibilité non linéaire, qui lorsqu'il est éclairé par un faisceau lumineux engendre un champ de polarisation électrique statique par rectification optique ; -, « faisceau laser femto seconde », un faisceau laser constitué d'impulsions lumineuses d'une durée allant de la 10 pico-seconde (10-12 s) à quelques dizaines de femto-secondes (1 fs = 10-15 s) ; il s'agit donc d'impulsions ultra brèves ; -> « largeur de bande en fréquence à x% d'intensité, LCJx», la largeur d'un spectre en fréquence (intensité en 15 fonction de la fréquence) correspond à la plage en fréquence déterminée par une valeur d'intensité correspondant à x% de l'intensité maximale, c'est-à-dire la différence entre la valeur de la fréquence la plus élevée déterminée à x% d'intensité moins la valeur de la fréquence 20 la plus faible déterminée à x% d'intensité; -~ « boucle de verrouillage de phase », en anglais Phase-Locked Loop (PLL), une méthode d'asservissement de fréquence ou de phase d'un oscillateur à celle d'un signal extérieur, notamment, mais pas nécessairement, sur un 25 multiple de la fréquence du signal extérieur, également appelé signal de référence ; une présentation de PLL peut notamment être trouvée dans l'ouvrage « Phase-locked loops - application to coherent receiver design », Alain Blanchard - A Wiley-interscience Publication - John Wiley & 30 Sons - copyright® 1976 by John Wiley & Sons, Inc. Des informations complémentaires sur sur les boucles de verrouillage de phase ressortent notamment de la publication suivante : « Modern Control Theory » de W. Brogan - 3rd ed. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 1990. Selon différents modes de réalisation qui peuvent notamment être combinés entre eux : - la largeur de bande en fréquence à 10% d'intensité du signal du faisceau laser femto seconde Acal0 est supérieure ou égale à la fréquence d'émission 6QCL du laser à cascade quantique ; - la largeur de bande en fréquence à 50% d'intensité du signal du faisceau laser femto seconde tw50 est supérieure ou égale à la fréquence d'émission caQcL du laser à cascade quantique ; - le faisceau laser femto seconde est émis par un laser femto seconde à fibre, notamment par un laser femto seconde à fibre dopé à l'Erbium ayant une fréquence d'émission centrale de l'ordre de 1550 nm ; selon un autre mode de réalisation, le faisceau laser femto seconde est émis par laser Ti : Saphir (Ti:S) dont la longueur d'onde d'émission centrale est comprise entre 750 et 850 nm ; - le faisceau laser émis par le laser femto seconde à fibre ou par le laser Ti : Saphir constitue le faisceau laser femto seconde qui est combiné par le dispositif de combinaison non linéaire avec le faisceau laser émis par le laser à cascade quantique ; selon un autre mode de réalisation, la fréquence du faisceau laser émis par un laser femto seconde à fibre est doublée par un doubleur de fréquence pour obtenir le faisceau laser femto seconde dont la fréquence d'émission centrale est de l'ordre de 775 nm qui est combiné par le dispositif de combinaison non linéaire avec le faisceau laser émis par le laser à cascade quantique ; - le dispositif de combinaison non linéaire comprend un cristal électro-optique non linéaire permettant d'obtenir une cellule de Pockels ; le cristal électrooptique non linéaire est notamment choisi parmi les cristaux de ZnTe ou de CdTe; selon un mode de réalisation particulier, le dispositif de combinaison comprend, successivement dans le sens du trajet du faisceau, un cristal < 110 > ZnTe, une lame quart d'onde, optionnellement une lame demi onde, un prisme de Wollaston, des photodiodes disposées de manière à permettre une détection balancée ; selon un autre mode de réalisation, le dispositif de combinaison non linéaire comprend un photo mélangeur, notamment à base de GaAs ou d'InGaAs ; - le signal de référence Sref(t) est généré par un dispositif d'émission d'un signal de référence constitué par un générateur radio fréquence ou par un synthétiseur micro-onde ; - la fréquence d'émission du laser à cascade quantique est comprise entre 500 GHz et 100 THz, par exemple supérieure ou égale à 1 THz et/ou inférieure ou égale à 60 THz. L'invention vise également une méthode de stabilisation de la fréquence d'émission de chacun des lasers à cascade quantique d'une pluralité de lasers à cascade quantique chacun alimenté par une source de courant continu générant un courant d'attaque, où la stabilisation de la fréquence d'émission de chaque laser à cascade quantique s'effectue selon la méthode de l'invention ci-dessus décrite, à partir d'un unique faisceau laser femto seconde commun et distribué vers une pluralité de dispositifs de combinaison, chaque dispositif de combinaison étant associé à un unique laser à cascade quantique. Dans le cas où la fréquence d'émission d'au moins deux lasers à cascade quantique diffère, il est également possible d'utiliser un dispositif de combinaison commun pour la stabilisation de la fréquence d'émission de chacun de ces lasers à cascade quantique L'invention vise également un dispositif laser qui comprend : - un laser à cascade quantique (QCL) alimenté avec une source de courant continu générant un courant d'attaque susceptible de générer un faisceau de fréquence d'émission, %CL ; - un dispositif pour générer un faisceau laser femto seconde, dont le signal a une largeur de bande en fréquence à 1% d'intensité, Owl, où Lw1 est supérieur ou égal à w%cL ; - des moyens de convergence des deux faisceaux laser 15 vers un dispositif de combinaison non linéaire pour produire un signal combiné ; - un dispositif mélangeur pour mélanger le signal combiné avec un signal de référence afin de produire un signal de sortie ; 20 - un dispositif de verrouillage de phase pour générer un signal d'erreur ; et où l'ensemble desdits dispositifs est configuré pour permettre le contrôle du courant d'attaque du laser à cascade de phase par une boucle de verrouillage de phase. 25 Il va de soi que les différentes caractéristiques mentionnées ci-dessus et visant des modes de réalisation de la méthode selon l'invention, peuvent être combinées avec les caractéristiques d'un dispositif laser selon l'invention. 30 L'invention vise également un dispositif multi-laser comprenant une pluralité de dispositifs laser selon l'invention, où un dispositif pour générer un faisceau laser femto seconde est commun à une pluralité de ces dispositifs laser pour effectuer la stabilisation de la fréquence d'émission de chacun de ces lasers de ladite pluralité. L'invention porte également sur l'application de la méthode et/ou du dispositif selon l'invention pour effectuer des détections de gaz ou d'objets à distance. L'invention porte également sur l'application de la 10 méthode et/ou du dispositif selon l'invention pour effectuer un balayage laser. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans 15 lesquels : les figures 1 et 2 présentent schématiquement des caractéristiques d'un laser femto seconde utilisé dans la présente invention ; les figures 3 et 4 représentent schématiquement la 20 combinaison du signal du faisceau du laser à cascade quantique avec celui d'un laser femto seconde ; la figure 5 représente schématiquement l'ensemble d'un dispositif selon l'invention ; 25 - la figure 6 représente schématiquement un dispositif de combinaison non linéaire selon l'invention ; les figures 7A et 7B présentent schématiquement des caractéristiques d'un laser à cascade 30 quantique utilisé dans la présente invention ; 10 - la figure 8 représente schématiquement l'ensemble d'un dispositif selon l'invention ; - les figures 9A à 9D présentent des spectres d'intensité d'un faisceau d'un laser à cascade quantique, notamment stabilisé selon l'invention ; les figures 10 et 11 représentent schématiquement des dispositifs selon l'invention où plusieurs lasers QCL sont stabilisés. Pour des raisons de clarté, les différents éléments représentés sur les figures ne sont pas nécessairement à l'échelle. Sur ces figures, des références identiques correspondent à des éléments identiques. La méthode de stabilisation de la fréquence d'émission d'un laser à cascade quantique (QCL) de l'invention met en oeuvre le principe d'asservissement par une boucle de verrouillage de phase grâce à la combinaison du signal du laser à cascade quantique avec un laser femto seconde. La figure 1 présente les caractéristiques d'un laser femto seconde où l'amplitude de son champ électrique Efs(t) est portée en fonction du temps, t. Cette amplitude peut s'écrire selon l'équation (1) :
Efs(t)=e`0`Enxe`na4t n où n est un nombre entier, c.>o est le décalage de fréquence, G)rep est le taux de répétition du pulse laser (typiquement dans la gamme de 100 MHz pour un laser femto seconde) -> En est l'amplitude du n-ième plan d'onde oscillant à n CJrep . Comme montré schématiquement sur la figure 1, les plans d'onde interfèrent et produisent une pluralité de trains de pulsations, 1, séparés par 2 Il / wTep. La durée de chaque pulsation, T, est de l'ordre de grandeur de l'inverse de la largeur spectrale du spectre du laser femto seconde, ~w. Pour des lasers femto seconde commerciaux, i est de l'ordre de grandeur de 100 fs.
Le spectre en fréquence de l'équation 1, I(f), porté en fonction de co, est représenté schématiquement en figure 2. Il se compose d'un peigne de lignes 2, séparées par CTep et s'étendant sur une largeur de spectre de Aw. Selon les modes de réalisation choisis, on considérera soit w = îw1 (largeur de bande en fréquence à 1% d'intensité du signal du faisceau laser femto seconde), soit Lw = &w10 (largeur de bande en fréquence à 10% d'intensité du signal du faisceau laser femto seconde), soit ow = £w50 (largeur de bande en fréquence à 50% d'intensité du signal du faisceau laser femto seconde). Afin de mettre en oeuvre la méthode selon l'invention, on combine le signal du faisceau du laser à cascade quantique avec celui d'un laser femto seconde précédemment décrit. La figure 3 représente schématiquement la résultante de cette combinaison : le faisceau émis par un laser à cascade quantique , 10, et celui émis par un laser femto seconde, 20, sont dirigés sur un dispositif de combinaison non linéaire 30. Le signal électrique généré s'écrit : S(t) (Efs(t))2xEQcL(t), Il peut être exprimé en tension ou en intensité. EQcL(t) est l'amplitude du champ électrique du faisceau du laser à cascade quantique .
En considérant l'équation (1) ci-dessus, on obtient l'équation (2) . S(t) = E ei%C E* X e« c a mep(m n))t QCL n m m,n(m>n) , où cpQcL (t) et 0QcL sont respectivement la phase et la fréquence du laser à cascade quantique . 0 QcL peut s'écrire : WQCL = C1 + k carep, où k est un nombre entier et 0 < wl < G)rep Selon l'invention on a : wQcL < A w.
Dans cette condition, on peut déterminer un couple, (n, m) dans l'équation (2) de manière à ce que : k = m-n. Pour ce couple particulier, l'onde laser correspondante et ressortant de l'équation (2) est donnée par l'équation (3). S t = E E E* ei(VQcL(t)+to,t) l~ QCL n m Le signal électrique correspondant oscille à CJ1, où 0 < wl < (A)rep à savoir à une fréquence de l'ordre de 100 MHz. 20 La génération de ce signal dans le domaine de la fréquence est schématiquement représentée en figure 4. Le signal S1(t) est ensuite mélangé à un signal de référence grâce à un dispositif mélangeur. Selon le mode de réalisation représenté en figure 5, le signal, S1(t) de 25 l'équation (3) est mélangé dans un mélangeur radiofréquence 40 à un signal émis par un dispositif, 50, d'émission d'un signal de référence, Sref(t), par exemple un synthétiseur micro-ondes.15 Le signal a alors la forme suivante, présentée dans l'équation (4). llOreft SYef (t) = Erefe , où CJref est la fréquence du signal de générateur RF, également dénommée « fréquence de référence ». Le signal obtenu en sortie du dispositif du mélangeur a la forme présentée dans l'équation (5) S t = E E E* E e' (~PQCL(t)+(wref ù~1 )t) out ( ) QCL n m ref
, où Sout(t) est envoyé comme signal d'entrée d'un dispositif de verrouillage de phase, 60. Un dispositif de verrouillage de phase est connu en soi et notamment décrit dans l'ouvrage d'Alain Blanchard
15 précité. Il comprend des circuits électroniques susceptibles de générer un signal de sortie, Serr (t) en tension ou en courant, dont l'amplitude est SE et qui s'écrit selon l'équation (6) : 20 serr (t) = SE X [ÇOQCL (t) ù (Wref ù c1 )tJ Le signal Serr(t) est dénommé « signal d'erreur » et est utilisé ensuite pour contrôler le courant d'attaque du laser à cascade quantique . En changeant le courant d'attaque du laser à cascade quantique il est possible de 25 changer sa fréquence et sa phase ; Le signe et la valeur absolue de SE sont générés par le dispositif de verrouillage de phase en vue de minimiser la valeur de [ç0QCL (t) ù (Wref ù w, )t]. 14 Quand { QcL(t)ù(w, ùwi)t]={ QcL(t)ù(w.eùWQcLùkwrep)t]=0, le laser à cascade quantique est dit en « verrouillage de phase » avec le taux de répétition du laser femto seconde. Cela signifie que la fréquence et la phase instantanée du laser à cascade quantique sont stabilisées par rapport à un multiple entier de wrep Selon un mode de réalisation représenté en figure 6, le dispositif de combinaison 30 comprend un cristal non linéaire < 110 > ZnTe, 31, placé en série avec une paire de lames orientées, quart d'onde 32 puis demi onde 33, suivies d'un prisme de Wollaston 34, d'un ensemble de photodiodes 35, 36, et d'un amplificateur transimpédance 37 disposés de manière à permettre une détection balancée selon une méthode connue en soi, et par exemple décrite dans la publication suivante : « Electro-optic sensors for electric field measurements. I. Theoretical comparison among different modulation techniques » - L. Duvillaret et al. - J. Opt. Soc. Ara. B19, 2692 (2002). Les faisceaux 15 des lasers à cascade quantique et femto seconde convergent vers le cristal de ZnTe. Un effet de biréfringence est obtenu par effet Pockels qui conduit à une rotation de la polarisation du faisceau. On dénomme également « cellule de Pockels » une telle configuration. A la sortie du prisme de Wollaston la modulation en polarisation devient une modulation en amplitude. On obtient ainsi un signal selon l'équation (2) à la sortie de l'amplificateur 37. Selon un mode de réalisation de l'invention, le laser à cascade quantique est un laser dont la fréquence d'émission est de 2,7 THz. Un tel laser est par exemple décrit dans la publication suivante : « 2.9 THz quantum cascade laser operating up to 70K in continuous wave », S.
Barbieri, J. Alton, J. Fowler, H. E. Beere, E. H. Linfield, D. A. Ritchie - Appl. Phys. Lett., 85, 1674 (2004). Les figures 7A et 7B représentent les caractéristiques de l'onde continue de ce laser à cascade quantique. Les courbes 71 à 76 représentent respectivement la variation de la puissance optique P, exprimée en mW, du laser à des températures respectives de 53 K, 51 K, 49 K, 44 K, 32 K, 20 K, en fonction de l'intensité du courant, i, exprimée en A. La courbe 78 représente la variation de la tension V, exprimée en V, en fonction de l'intensité du courant. La courbe 70, en figure 7B, représente un spectre d'émission typique, mesuré à 20K où l'intensité, I, est exprimée en unité arbitraire en fonction de la fréquence f. La figure 8 représente le dispositif mis en œuvre dans un exemple selon l'invention avec les lasers dont les caractéristiques ont été décrites ci-dessus. Le faisceau du laser femto seconde à fibre dopé à l'Erbium 21 est dirigé vers un doubleur de fréquence 22 de type « BBO » pour obtenir un faisceau laser femto seconde dont la fréquence d'émission centrale est de l'ordre de 775 nm qui est combiné par le dispositif de combinaison non linéaire 30 avec le faisceau laser émis par le laser à cascade quantique 10. On représente dans la partie référencée 810 la variation de l'intensité 811 du faisceau laser femto seconde, après le doubleur de fréquence 22, en fonction de la fréquence f en THz (échelle du bas) ou de la longueur d'onde (en nm, échelle du haut). On constate que dans cet exemple, Aw50 (largeur de bande en fréquence à 50% d'intensité du signal du faisceau laser femto seconde) vaut approximativement 5 THz et est donc supérieur à la fréquence d'émission, 6QcL, d'un laser à cascade quantique 10 qui vaut 2.7 THz.
Le faisceau du laser à cascade quantique est focalisé sur un cristal <110> ZnTe d'1 mm d'épaisseur grâce à des miroirs paraboliques revêtus d'or et est surimposé au faisceau laser femto seconde dont la fréquence d'émission centrale est de l'ordre de 775 nm. La polarisation des deux faisceaux est linéaire et orientée à environ 45° par rapport à la direction <1,-1,0> du cristal de ZnTe. Après le prime de Wollaston, deux faisceaux optiques de 6 mW en moyenne sont dirigés vers le dispositif de détection balancé composé de deux photodiodes Si (de référence commerciale Hamamatsu S3399). La différence entre les deux photo-courants est introduite dans un amplificateur transimpédance avec une largeur de bande de 300 MHz, suivi par un filtre passe bas pour atténuer les lignes non supprimées de fTep et les harmoniques. Quand le laser à cascade quantique est arrêté, on détermine un bruit de grenaille de détection limite et on supprime le bruit d'amplitude du faisceau laser femto seconde. On reporte dans la partie référencée 820 un exemple de spectre radiofréquence 821 mesuré par un analyseur de spectre 70 avant l'introduction dans le dispositif mélangeur 40, dans un intervalle de 0 à 93 MHz avec une vitesse de balayage de 13 ms et une résolution de largeur de bande, dite RBW, de 100kHz. Dans cet exemple, le laser à cascade quantique est contrôlé avec un courant de 1.766 A et sa température est de 20 K. On observe deux groupes de trois pics, situés de manière symétrique par rapport à f2ep/2 (soit 44.6 MHz), où free = G)rep/211.
On utilise ensuite un filtre passe bande de 10 MHz de largeur de bande et centré sur 30 MHz pour réduire l'intensité des signaux secondaires par rapport au signal principal. Le signal principal, oscillant à f1 = w1/2n, est ensuite amplifié et comparé, grâce au mélangeur 40, à un signal de référence de fréquence de référence, f RF, sensiblement égal à 30 MHz, généré par le dispositif 50 d'émission d'un signal de référence.
L'erreur du signal oscillant à ferr = fRF - fi est introduit dans le dispositif de verrouillage de phase 60 pour générer un signal d'erreur Serr(t) utilisé pour contrôler le courant d'attaque du laser à cascade quantique 10. Un oscilloscope 80 peut permettre de visualiser les signaux. Les figures 9A à 9D présentent des spectres radiofréquence d'intensité du faisceau du laser à cascade quantique précité, sans (figure 9A) et avec (figures 9B à 9D) verrouillage de phase selon l'invention.
Pour les figures 9B à 9D, la résolution de largeur de bande, RBW, est respectivement de 100 kHz (B), 100 Hz (C), 1 Hz (D).Pour tous ces spectres, le maximum d'intensité du battement reste fixé à 25 dBm et l'échelle de bruit plancher avec le RBW se situe à -45dBm pour RBW = 1 MHz et à -104 dBm pour RBW = 1 Hz. Dans la figure 9B, on estime qu'environ 90 % de la puissance longitudinale du laser à cascade quantique est verrouillée sur le nleme harmonique de frep On démontre ainsi que l'on peut obtenir une excellente stabilisation de la fréquence d'émission d'un laser à cascade quantique selon la méthode de l'invention qui se révèle à la fois performante et peu onéreuse en comparaison des méthodes connues, et ne nécessitant notamment pas l'utilisation de dispositif du type d'un bolomètre et/ou de source micro-onde multipliée. La figure 10 décrit un mode de réalisation selon l'invention où deux lasers à cascade quantiques, notés QCL-1 et QCL-2 sont stabilisés en fréquence d'émission grâce à un même laser femto seconde à fibre 20. La stabilisation s'effectue grâce à deux dispositifs selon l'invention (représentés partiellement sur cette figure), où le faisceau laser femto seconde est divisé en deux sous faisceaux, chacun dirigé vers un dispositif de combinaison linéaire 30, mélangé à un signal de référence, puis introduit dans un dispositif de verrouillage de phase 60 spécifique à chacun des lasers à cascade quantique QCL-1 et QCL-2. On peut stabiliser la fréquence d'émission de chaque laser à cascade quantique au taux de répétition du laser femto seconde et choisir une fréquence d'émission différente pour chacun des lasers à cascade quantique.
Il est possible de transmettre le faisceau du laser femto seconde à fibre 20 aux dispositifs de combinaison linéaire 30 grâce à des fibres optiques dont la longueur peut atteindre plusieurs dizaines de mètre. Cette disposition est particulièrement avantageuse pour la détection d'objets à distance, comme par exemple la cible 110. Après être passée par le milieu de la cible 110 à détecter, la radiation du laser à cascade quantique QCL-1 est focalisé sur un détecteur de puissance 114, comme par exemple un détecteur pyro-électrique ou un mélangeur à diode Shottky rapide pour des applications d'imagerie, simultanément avec le signal émis par le laser à cascade quantique QCL-2. On peut générer un oscillateur local produisant un signal hétérodyne oscillant à la différence de fréquence fQCL_1 - fQcL_2, où fQcL_1 et fQCL_2 correspondent respectivement aux fréquences d'émission des lasers QCL-1 et QCL-2. Grâce à la stabilité de la méthode selon l'invention, la fréquence de ce signal peut être stable à 1 Hz, permettant ainsi de faire de la détection hétérodyne à très haute sensibilité. On peut également utiliser cette technique pour faire de la détection gazeuse, par exemple d'un échantillon 5 gazeux 112. Ces techniques sont particulièrement bien adaptées pour faire de la détection et/ou de l'image d'objets cachés (par exemple d'explosifs), pour détecter des gaz ou des communications spatiales, mais peuvent également trouver 10 des applications dans de nombreux autres champs technologiques. L'invention ne se limite pas à ces types de réalisation et doit être interprétée de façon non limitative, et englobant tous les modes de réalisation 15 équivalents.

Claims (15)

  1. REVENDICATIONS1. Méthode de stabilisation de la fréquence d'émission, wQCL, d'un laser à cascade quantique (QCL) (10), alimenté avec une source de courant continu générant un courant d'attaque, par contrôle du courant d'attaque dudit laser et mettant en oeuvre une boucle de verrouillage de phase caractérisée en ce qu'au moins une partie du faisceau laser émis par le laser à cascade quantique et un faisceau laser femto seconde, dont le signal a une largeur de bande en fréquence à 1% d'intensité, convergent vers un dispositif de combinaison non linéaire (30) pour produire un signal combiné, S1(t) et où la largeur de bande en fréquence à 1% d'intensité du signal du faisceau laser femto seconde ,,(A)l est supérieure ou égale à la fréquence d'émission QCL du laser à cascade quantique, puis on mélange le signal combiné S1(t) avec un signal de référence Sref(t) grâce à un dispositif mélangeur (40) pour générer un signal de sortie Sout(t) qui est introduit dans un dispositif de verrouillage de phase (60) pour générer un signal d'erreur Serr(t) utilisé pour contrôler le courant d'attaque du laser à cascade quantique.
  2. 2. Méthode selon la revendication précédente caractérisée en ce que le faisceau laser femto seconde est émis par un laser femto seconde à fibre, notamment par un laser femto seconde à fibre dopé à l'Erbium (21) ayant une fréquence d'émission centrale de l'ordre de 1550 nm.
  3. 3. Méthode selon la revendication 1 caractérisée en ce que le faisceau laser femto seconde est émis par un laser Ti : Saphir (Ti:S) dont la longueur d'onde d'émission centrale est comprise entre 750 et 850 nm.
  4. 4. Méthode selon la revendication 2 ou la revendication 3 caractérisée en ce que le faisceau laser émis par le laser femto seconde à fibre ou par le laser Ti : Saphir constitue le faisceau laser femto seconde qui est combiné par le dispositif de combinaison non linéaire (30) avec le faisceau laser émis par le laser à cascade quantique.
  5. 5. Méthode selon la revendication 2 caractérisée en ce que la fréquence du faisceau laser émis par le laser femto seconde à fibre est doublée par un doubleur de fréquence (22) pour obtenir un faisceau laser femto seconde dont la fréquence d'émission centrale est de l'ordre de 775 nm qui est combiné par le dispositif de combinaison non linéaire (30) avec le faisceau laser émis par le laser à cascade quantique.
  6. 6. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le dispositif de combinaison non linéaire (30) comprend un cristal électrooptique non linéaire (31) permettant d'obtenir une cellule de Pockels, notamment choisi parmi les cristaux de ZnTe, ou CdTe ou autres.
  7. 7. Méthode selon la revendication précédente caractérisée en ce que le dispositif de combinaison (30) comprend, successivement dans le sens du trajet du faisceau, un cristal < 110 > ZnTe (31), une lame quart d'onde (32), optionnellement une lame demi onde (33), un prisme de Wollaston (34), des photodiodes (35, 36) disposées de manière à pezmettre une détection balancée.
  8. 8. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que le dispositif de combinaison non linéaire (30) comprend un photo mélangeur, notamment à base de GaAs ou d'InGaAs.
  9. 9. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le signal de référence Sref(t) est généré par un dispositif (50) d'émission d'un signal de référence constitué par un générateur radio 5 fréquence ou par un synthétiseur micro-onde.
  10. 10. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la fréquence d'émission du laser à cascade quantique (10) est comprise entre 500 GHz et 100 THz ,par exemple supérieure 10 ou égale à 1 THz et/ou inférieure ou égale à 60 THz.
  11. 11. Méthode de stabilisation de la fréquence d'émission de chacun des lasers à cascade quantique d'une pluralité de lasers à cascade quantique chacun alimenté par une source de courant continu générant un courant 15 d'attaque, caractérisée en ce que la stabilisation de la fréquence d'émission de chaque laser à cascade quantique s'effectue selon l'une quelconque des revendications précédentes à partir d'un unique faisceau laser femto seconde commun et distribué vers une pluralité de 20 dispositifs de combinaison, chaque dispositif de combinaison étant associé à un unique laser à cascade quantique.
  12. 12. Dispositif laser comprenant : - un laser à cascade quantique (QCL)(10) alimenté 25 avec une source de courant continu générant un courant d'attaque susceptible de générer un faisceau de fréquence d'émission, CÙQCL - un dispositif pour générer un faisceau laser femto seconde, dont le signal a une largeur de bande en fréquence 30 à 1% d'intensité, ,U)l, où col est supérieur ou égal à O QCL ;- des moyens de convergence des deux faisceaux laser vers un dispositif de combinaison non linéaire (30) pour produire un signal combiné ; - un dispositif mélangeur (40) pour mélanger le 5 signal combiné avec un signal de référence afin de produire un signal de sortie ; un dispositif de verrouillage de phase (60) alimenté par ledit signal de sortie pour générer un signal d'erreur transmis à la source de courant continu; 10 et où l'ensemble desdits dispositifs est configuré pour permettre le contrôle du courant d'attaque du laser à cascade de phase par une boucle de verrouillage de phase.
  13. 13. Dispositif multi-laser comprenant une pluralité de dispositifs laser selon la revendication précédente et 15 où un dispositif pour générer un faisceau laser femto seconde est commun à une pluralité de ces dispositifs laser pour effectuer la stabilisation de la fréquence d'émission de chacun des lasers de ladite pluralité de dispositifs laser. 20
  14. 14. Application de la méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 et/ou du dispositif selon l'une des revendications 12 ou 13 pour effectuer des détections de gaz ou d'objets à distance.
  15. 15. Application de la méthode selon la revendication 25 11 et/ou du dispositif de la revendication 13 pour effectuer un balayage laser.
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