Cette etude porte sur l'effet photorefractif dans le phosphure d'indium dope au fer (InP:Fe). Les gains optiques mesures en absence de champ electrique applique et a la longueur d'onde de 1,06 micrometre sont plus faibles que les valeurs calculees avec un modele qui tient compte d'un seul niveau d'energie (celui du fer) dans la bande interdite. Nous contribuons a determiner l'origine de cette reduction qui est attribuee dans la litterature, soit aux transitions indirectes liees a l'etat excite du fer soit a d'autres niveaux superficiels. Dans un premier temps, nous mettons en evidence la necessite d'effectuer des mesures en fonction de la temperature et a plusieurs longueurs d'onde (1,06 ; 1,32 et 1,535 micrometre) afin d'etablir les roles respectifs des differents niveaux d'energie dans les echantillons etudies ou l'effet photorefractif est domine par les trous a temperature ambiante. L'etude de la constante de temps d'effacement du reseau a permis de determiner les concentrations en ions Fe2+ et Fe3+. Nous comparons ensuite les courbes du gain mesure pour les trois longueurs d'onde en fonction de la temperature et du pas avec les simulations effectuees a partir des differents modeles comprenant soit le niveau excite du Fe2+*, soit un second niveau place pres de la bande de conduction puis, pres de la bande de valence. Dans les echantillons etudies, ces differentes comparaisons ont montre qu'a basse temperature l'effet photorefractif est influence par un second niveau situe pres de la bande de valence alors qu'a temperature ambiante il faut a la fois tenir compte du second defaut et de l'etat excite du fer
Cette etude porte sur l'effet photorefractif dans le phosphure d'indium dope au fer (InP:Fe). Les gains optiques mesures en absence de champ electrique applique et a la longueur d'onde de 1,06 micrometre sont plus faibles que les valeurs calculees avec un modele qui tient compte d'un seul niveau d'energie (celui du fer) dans la bande interdite. Nous contribuons a determiner l'origine de cette reduction qui est attribuee dans la litterature, soit aux transitions indirectes liees a l'etat excite du fer soit a d'autres niveaux superficiels. Dans un premier temps, nous mettons en evidence la necessite d'effectuer des mesures en fonction de la temperature et a plusieurs longueurs d'onde (1,06 ; 1,32 et 1,535 micrometre) afin d'etablir les roles respectifs des differents niveaux d'energie dans les echantillons etudies ou l'effet photorefractif est domine par les trous a temperature ambiante. L'etude de la constante de temps d'effacement du reseau a permis de determiner les concentrations en ions Fe2+ et Fe3+. Nous comparons ensuite les courbes du gain mesure pour les trois longueurs d'onde en fonction de la temperature et du pas avec les simulations effectuees a partir des differents modeles comprenant soit le niveau excite du Fe2+*, soit un second niveau place pres de la bande de conduction puis, pres de la bande de valence. Dans les echantillons etudies, ces differentes comparaisons ont montre qu'a basse temperature l'effet photorefractif est influence par un second niveau situe pres de la bande de valence alors qu'a temperature ambiante il faut a la fois tenir compte du second defaut et de l'etat excite du fer
Le sujet de cette these est l'etude de la saturation selective d'etats excitoniques dans des structures a multi-puits quantiques en arseniure de gallium. Nous avons utilise, pour nos experiences, la technique de spectroscopie femtoseconde pompe-test ou une impulsion lumineuse excitatrice perturbe l'echantillon dont l'etat est teste par une seconde impulsion. La premiere partie de la these presente le laser titane:saphir femtoseconde que nous avons realise. Cette source dont la longueur d'onde d'emission se situe dans l'infra-rouge proche est bien adaptee a l'etude du bord d'absorption de certains semi-conducteurs tels que le gaas. Cependant, le taux de repetition eleve de cet oscillateur provoque des effets thermiques indesirables. Nous avons ainsi ete amenes a utiliser aussi une chaine laser fonctionnant a plus faible taux de repetition. L'excitation resonante d'etats excitoniques engendre plusieurs phenomenes tels que l'effet stark optique et la saturation d'etats auxquels viennent s'ajouter des effets de coherence. Nos experiences ont porte sur l'etude d'une raie d'absorption excitonique elargie de maniere inhomogene dans laquelle le faisceau de pompe peut, suivant sa longueur d'onde, exciter preferentiellement certains etats excitoniques. Dans certains cas, le signal est domine par les effets de coherence et nous avons montre qu'il depend alors de la forme du champ test utilise, contrairement a l'interpretation classique des experiences pompe-test. Pour interpreter chaque spectre d'absorption differentielle il faut pouvoir separer les differents effets. Nous avons, dans ce but, modelise le spectre d'absorption excitonique comme l'absorption d'un ensemble de systemes a deux niveaux independants. Puis, l'interaction de tels systemes avec une onde electromagnetique est calculee a l'aide du formalisme de l'operateur densite. Notre modele relativement simple permet d'expliquer les spectres experimentaux pour des excitations sur le cote basse energie de l'exciton ou les particules peuvent etre localisees
Cette these est consacree a l'etude des proprietes non-lineaires, de coherence et a la realisation de dispositifs opto-electroniques dans les boites quantiques auto-assemblees de semiconducteurs. Les etudes ont ete realisees sur deux types de structures : les boites quantiques inas/gaas et les boites quantiques ge/si. Nous avons etudie en premier les proprietes optiques non-lineaires des boites quantiques inas/gaas. Les transitions intra-bandes ont ete utilisees pour generer un signal de second harmonique, a la fois en bande de conduction (boites dopees n) et en bande de valence (boites dopees p). Dans les deux cas, le doublement de frequence peut etre obtenu dans des conditions de double resonance. Des susceptibilites elevees ont ainsi pu etre mesurees soit, pour un plan de boites, ( 2 ) z x x = 2 10 - 7 mv - 1 dans le cas des boites dopees p et ( 2 ) z x x = 2,5 10 - 6 mv - 1 pour les boites dopees n. La valeur elevee de la susceptibilite s'explique par les valeurs elevees a la fois des dipoles et des temps de coherence associes aux transitions intra-bandes dans les boites. Notons que les susceptibilites les plus elevees presentent un tenseur du type ( 2 ) z x x. Par la suite, les boites ont fait l'objet d'une etude de spectroscopie resolue en temps. Nous avons pour la premiere fois observe le phenomene d'echo de photons en resonance avec une transition intra-bande polarisee dans les plan des couches. A basse temperature, le temps de coherence de cette transition est egal a 20 ps. L'etude des boites quantiques ge/si a egalement constitue une partie importante de ce travail. La caracterisation optique de ces ilots a d'abord ete effectuee par des experiences de photoluminescence. Par la suite, nous avons etudie les proprietes spectroscopiques des boites dans la gamme du moyen-infrarouge. Ces dernieres mesures ont permis d'etablir un diagramme d'energie experimental des niveaux confines au sein des boites ge/si. Une autre partie importante de ce travail est consacree a la realisation et a la caracterisation de dispositifs opto-electroniques. Nous avons realise une diode electro-luminescente dont la partie active est composee de cinq plans de boites ge/si. Cette hetero-jonction est capable d'emettre un signal dans la gamme des longueurs d'onde des telecommunications ( 1,5 m) jusqu'a temperature ambiante. Enfin, nous avons realise deux types de photo-detecteurs a boites quantiques (qdips) fonctionnant dans la gamme du moyen-infrarouge. La region active du premier type de detecteur est composee de boites quantiques ge/si. Le second type de photo-detecteur possede une zone active constituee de boites inas/gaas. Dans les deux cas, nous avons etabli une comparaison directe entre l'absorption intra-bande des boites et les mecanismes participant au photo-courant. En particulier, les proprietes d'absorption des boites dans le plan des couches permettent a ces photo-detecteurs de fonctionner sous incidence normale.
Ralentissement de la lumière dans un cristal photoréfractif SPS La lumière lente est le domaine scientifique qui s’intéresse aux processus non linéaires quipeuvent réduire la vitesse du groupe d’une impulsion lumineuse lorsqu’elle se propage dansun milieu. Cette technologie a récemment suscité un grand intérêt pour ses larges domainesd’application tels que le router optique, la photonique non linéaire et la spectroscopie.L’efficacité des systèmes à lumière lente est généralement mesurée par deux paramètresclés : le retard ou la vitesse du groupe et la bande passante de l’impulsion lumineuse desortie. Ce dernier est défini par le retard dit fractionnel qui est le rapport entre le retardet la largeur de l’impulsion de sortie. Un système de lumière lente dit efficace lorsqu’ilest capable de ralentir les courtes impulsions lumineuses, tout en maintenant une valeurimportante du retard fractionnel (FD).Au cours des dernières années, de nombreuses études du ralentissement de la lumière ontété réalisées dans plusieurs matériaux dispersifs à différentes longueurs d’onde. En fait, desvitesses de groupe inférieures à 17 m/s[1] ont été mesurées expérimentalement par Hau etal. dans un gaz atomique en utilisant la Transparence Induite Electromagnétiquement.Plus récemment, la décélération de la vitesse de groupe a été également observée avec succèsdans des matériaux à l’état solide tels que les fibres optiques [2], les cristaux photoniques[3]. D’autre part, plusieurs études ont montré que les cristaux photoréfractifs peuventégalement réduire la vitesse de propagation de la lumière à température ambiante. En effet,la plus petite vitesse du groupe de 0, 025 cm/s a été obtenue en utilisant l’enregistrementdes réseaux d’indice de réfraction dans le cristal photoréfractif BaTiO3[4]. Cette méthodeconsiste à coupler un faisceau pompe continu et une sonde pour augmenter la dispersionde l’indice de réfraction et générer un gain photoréfractif ainsi le ralentissement de lasonde à la sortie du cristal. Cependant, cette petite vitesse est souvent accompagnéed’une distorsion de l’impulsion de sortie, ce qui réduit la valeur du retard fractionnel (parexemple, un FD de l’ordre de 0, 4 a été mesuré dans [4]).Cette thèse porte sur l’étude de différentes méthodes qui permettent, en plus du ralentissementde la lumière, de limiter la distorsion de l’impulsion dans les milieux photoréfractifs.Tout d’abord, en utilisant la méthode TWM, le cristal SPS avec un temps de réponse de10 ms peut ralentir les impulsions lumineuses ou sombres de l’ordre de ms. Il est démontréque la valeur du retard et la largeur de l’impulsion transmise peuvent être contrôlées parle gain photoréfractif et la durée de l’impulsion d’entrée. En améliorant la configurationdu TWM, nous mesurons un retard fractionnaire de 0, 79 et 1 respectivement pour lesimpulsions lumineuses et sombres de durées proches du temps de réponse du cristal. Lecoma photoréfractive ou le « beam fanning » a également été utilisé pour ralentir lalumière dans le cristal photoréfractif. Le couplage du fanning avec l’impulsion d’entréeentraîne à la fois la modulation des réseaux d’indice de réfraction et le ralentissement del’impulsion de sortie à différentes longueurs d’onde.La lumière lente avec le TWM et le fanning peut être observée pour des impulsions longues,typiquement pour des impulsions de l’ordre de la ms à la seconde. En d’autres termes,seules les impulsions dont les durées sont proches du temps de réponse du cristal qui sontralenties. Dans cette thèse, nous montrons pour la première fois que l’utilisation du TWMen régime impulsionnel et un laser à haute intensité peut réduire le temps de réponsephotoréfractif du cristal et le ralentissement d’une impulsion plus courte (d’une largeur dens). Les résultats obtenus dans un cristal PR d’épaisseur 1 cm sont comparables à ceuxréalisés dans un 1 km de fibre optique pour les mêmes durées d’impulsions.
Nous avons etudie les mecanismes responsables de la perte de coherence dans des heterostructures de semiconducteurs iii-v par une technique lineaire de correlation interferometrique de la diffusion rayleigh resonante. Cette technique repose sur l'excitation d'un echantillon par une paire d'impulsions femtosecondes, coherentes, de meme intensite et decalees dans le temps. Les interferences entre les polarisations creees dans l'echantillon par la paire d'impulsions produisent des interferences sur l'emission resonante du systeme. Leur contraste decroit avec le retard entre les impulsions sur une echelle de temps donnee par le temps de relaxation de coherence ou temps de dephasage t 2, de l'ordre de quelques picosecondes dans les heterostructures de semiconducteurs. Nous nous sommes d'abord interesses a des puits quantiques gaas/al xga 1 - xas peu profonds ou la concentration en aluminium dans l'alliage de barriere varie de 18 a 1,5%. Dans ces puits quantiques, les excitons sont dans un regime de confinement faible intermediaire entre les puits profonds (2d) et le materiau massif (3d). Grace a des experiences realisees pour differentes temperatures de l'echantillon, nous avons etudie l'influence de la transition 2d-3d sur les mecanismes de dephasage par phonons. Pour les phonons acoustiques, nous mettons en evidence une transition molle alors que pour les phonons optiques, nous observons une resonance de couplage pour le puits x=3,3% ou les excitons du puits et de la barriere sont distants d'un phonon optique. Nous avons par ailleurs etudie une microcavite de semiconducteurs en couplage fort. Dans cette heterostructure, les etats propres ne sont plus des excitons mais des etats mixtes exciton-photon, les polaritons de cavite. Dans ce systeme, la relaxation de coherence est gouvernee par des mecanismes de dephasage de types tres differents pour les composantes exciton et photon, respectivement. Tout d'abord, par des etudes a basse temperature en fonction du desaccord en energie entre les modes exciton et photon, nous mettons en evidence les specificites de la relaxation de coherence des polaritons de cavite. Nous avons developpe un calcul de la diffusion rayleigh resonante d'une microcavite a partir d'un modele semi-classique de dispersion lineaire et nous obtenons un excellent accord theorie/experience. Par ailleurs, par des etudes en fonction de la temperature, nous avons examine le dephasage des polaritons assiste par phonons acoustiques. Nous mettons en evidence les limites d'un modele semi-classique pour decrire la relaxation de coherence en fonction de la temperature et nous reproduisons nos donnees experimentales a l'aide d'un modele quantique de polaritons.
En Physique de l'atome les méthodes mettant en jeu l'évolution des moments magnétiques d'états excités sous l'influence de champs extérieurs, évolution détectée par l'intermédiaire de la lumière émise, se sont révélées très fécondes. En particulier, par résonance magnétique, par dépolarisation magnétique, par croisements de niveaux, de nombreuses données spectroscopiques ont été obtenues, ainsi que des informations sur les différents processus de collisions atomes-atomes excités. Ces méthodes nécessitent l'obtention d'une anisotropie de la distribution des moments cinétiques dans l'état excité étudié, anisotropie qui peut être obtenue soit par excitation électronique à l'aide d'électrons lents, soit par excitation optique en lumière polarisée [1]. En Physique de l'atome les méthodes mettant en jeu l'évolution des moments magnétiques d'états excités sous l'influence de champs extérieurs, évolution détectée par l'intermédiaire de la lumière émise, se sont révélées très fécondes. En particulier, par résonance magnétique, par dépolarisation magnétique, par croisements de niveaux, de nombreuses données spectroscopiques ont été obtenues, ainsi que des informations sur les différents processus de collisions atomesatomes excités. Ces méthodes nécessitent l'obtention d'une anisotropie de la distribution des moments cinétiques dans l'état excité étudié, anisotropie qui peut être obtenue soit par excitation électronique à l'aide d'électrons lents, soit par excitation optique en lumière polarisée [1]. Divers progrès de la technologie ont permis d'étendre ces méthodes vers des états moléculaires excités, l'anisotropie de l'excitation étant produite soit par voie optique (coïncidence avec une raie atomique, radiation laser, bande moléculaire), soit par excitation électronique, des travaux expérimentaux et théoriques ayant montré cette possibilité [2], [3]. Des expériences ont été réalisées sur H2 [4], NO [5], OH [6], Na2 [7], CS [8], I2 [9]. Quelques exemples sont détaillés afin de montrer les possibilités de la méthode : – L'effet Hanle (dépolarisation magnétique) fournit la valeur du produit gτ (g facteur de Landé, τ durée de vie) dans la mesure où des effets de découplage n'interviennent pas. La discussion est présentée dans le cas des niveaux A2Σ + (ν = 1,K' = 1) J' = 25/2 et J' = 27/2 de NO [5] et de niveaux de I2 [9] excités par voie optique. – Par excitation électronique des travaux ont été faits sur les états électroniques excités 2 p 2 p 1K, 1 s 3 d Σ +g, 1 s 3 p Πu de H2 [4]. L'étude critique de la position et de la forme de raie de la résonance magnétique, ainsi que celle des effets de cascade éventuels, a permis d'évaluer l'écart de structure fine J = 2 ↔ J = 1 trouvé égal à 174 ±10 MHz de l'état 1 s 2 p Πu, K' = 1, ν' = 0 [10]. L'élargissement des courbes de dépolarisation magnétique en fonction de la pression permet d'obtenir des renseignements sur les processus de collision état fondamental-état excité et d'en déterminer les sections efficaces et la durée de vie radiative du niveau. – L'étude de l'intensité et de l'état de polarisation de la lumière émise en présence d'un champ magnétique et d'un champ électrique a été faite dans le cas du niveau A 1Π ν' = 0, pour différentes valeurs de J dans CS [8]. L'étude critique des résultats des différentes expériences (transitions dipolaires électriques de radiofréquence en présence ou non de champ électrique statique, dépolarisation magnétique, dépolarisation en présence de champ électrique, croisements de niveaux en présence de champs électrique et magnétique) a conduit aux valeurs du A doubling, du moment dipolaire électrique et à la durée de vie des états étudiés. L'utilisation, en particulier, de laser à longueur d'onde variable devra permettre l'extension des méthodes d'excitation optique [11], et l'emploi de dispositifs interférentiels pour isoler les transitions étudiées permettra de généraliser à d'autres molécules [12] l'emploi de la méthode d'excitation électronique.
La propagation de lumière dans un réseau de guides s'effectue par couplages successifs et diffère ainsi fortement de la propagation en milieu libre. De plus, il existe, entre le formalisme du couplage optique décrivant cette propagation, de grandes similarités avec l'équation de Schrödinger. Nous utilisons ces similarités pour réaliser, dans des structures optiques composées de guides d'ondes, des analogies à des phénomènes quantiques. Les guides d'ondes sont analogues à des niveaux discrets d'énergie tandis que les constantes de couplage entre les guides sont analogues aux fréquences de Rabi des pulses laser couplant ces niveaux d'énergie. Pour la démonstration de ces analogies riches d'enseignement et potentiellement attractives pour des applications, il est intéressant de pouvoir disposer de structures optiques polyvalentes pouvant être reconfigurées. Notre approche est basée sur la réalisation de ces structures par la technique d'illumination latérale développée au laboratoire. Contrairement à la majorité des techniques d'inscriptions classiques (CVD, échange d'ions, inscription par laser femtoseconde, etc.) qui conduisent à des structures fixes et très difficilement modifiables, cette technique donne des structures reconfigurables. Elle consiste en l'éclairement contrôlé d'un cristal photoréfractif soumis à un champ électrique, permettant d'inscrire des guides grâce à la photo-conductivité du matériau et à l'effet Pockels. Dès lors, nous montrons qu'il est possible de réaliser au sein du même cristal, différentes structures de réseaux de guides, de design, périodicités et contrastes d'indice différents. Nous mettons ensuite à profit ces différents résultats pour la démonstration d'analogies à des effets quantiques. En premier lieu nous démontrons un transfert adiabatique de lumière similaire au phénomène de STIRAP ("STImulated Raman Adiabatic Passage"). La lumière, couplée à l'entrée dans un guide, est transférée à un guide de sortie éloigné, à travers plusieurs guides intermédiaires (jusqu'à neuf) si les constantes de couplage sont modulées longitudinalement dans un ordre dit "contre-intuitif". Nous utilisons ensuite ce transfert adiabatique de lumière pour la réalisation d'un diviseur de faisceau multi-ports, dont les ratios d'intensité dans les ports de sorties sont déterminés par le rapport des constantes de couplage de la structure. Nous démontrons également que ce diviseur de faisceau est très robuste et très largement achromatique sur plus de 200 nm. Puis, nous réalisons une analogie au phénomène d'EIT ("Electromagnetically Induced Transparency") dans une structure optique composée de trois guides. La présence d'un troisième guide très proche du deuxième empêche tout transfert de lumière depuis le premier guide qui devient alors "transparent". Enfin, en créant un désaccord dans les constantes de propagation longitudinale des trois guides, le transfert de lumière peut être réactivé pour deux valeurs particulières du désaccord, similairement à l'effet quantique Autler-Townes