Lasers à cascade quantique

Les lasers à cascade quantiques (QCL) sont des lasers semi-conducteurs qui émettent de l’infrarouge moyen, à partir de longueurs d’onde aux alentours de 3 μm, jusqu’aux ondes térahertz dans l’infrarouge lointain, avec des longueurs d’onde jusqu’à quelques centaines de micromètres. Leur émission couvre donc deux décades du spectre électromagnétique (en longueur d’onde entre 3 et 300 μm ou en fréquence entre 3 et 300 THz). Une caractéristique remarquable de ces lasers est que cette vaste gamme de fréquences est couverte fondamentalement par une seule filière de matériaux semi-conducteurs : Al I nAs/Ga I nAs dont la croissance est effectuée sur substrat de phosphure d’indium ( I nP). En effet, pour ce concept original de laser, la longueur d’onde d’émission n’est pas liée à la bande interdite du semi-conducteur, mais déterminée par l’épaisseur et l’alternance de fines couches formant un potentiel quantique dans lequel les électrons sont injectés. De plus, ces semi-conducteurs sont déjà très utilisés par la technologie des télécommunications, qui emploie des alliages très similaires pour la réalisation de diodes lasers, de détecteurs et d’autres composants optoélectroniques. Les lasers à cascade quantique ont donc été inventés et réalisés, sans qu’un véritable développement de matériaux leur ait été associé. Ainsi, leurs performances ont pu progresser rapidement grâce aux améliorations conceptuelles du dispositif, sans devoir attendre les travaux de raffinement du matériau. Enfin, la nature des matériaux constituant le dispositif est accessoire et sert juste de support pour l’implémentation des concepts quantiques qui régissent le fonctionnement de ces lasers. Mis à part l’aspect conceptuel très important, le fait de pouvoir réaliser des lasers sur une gamme de fréquences si vaste, toujours en exploitant le même système de matériaux, simplifie énormément leur fabrication. Une fois qu’un procédé de fabrication est mis au point pour une longueur d’onde, il pourra être exploité à l’identique pour toutes les autres longueurs d’onde.

Il y a deux caractéristiques propres aux lasers à cascade quantique qui les démarquent d’une façon fondamentale des autres lasers semi-conducteurs et en général de tout émetteur de lumière conventionnel à base de semi-conducteurs. Il s’agit de l’unipolarité (un dispositif à base d’électrons uniquement) et du schéma en cascade (plusieurs photons sont émis par chaque électron qui traverse la structure). L’unipolarité provient du fait que les transitions optiques du laser à cascade quantique se produisent entre des états électroniques de la bande de conduction (sousbandes). Ces transitions...