No description available.

The purpose of this work was to construct and analyze a THz time domain spectroscopy (THz-TDS) system by using a nanojoule energy per pulse ultrafast laser (non-amplified ultrafast laser or oscillator) source and a non-linear optical generation method for THz generation. First a THz-TDS system, which uses photoconductive antenna (PCA) method for THz generation, was built to understand the working principles of these types of systems. This THz-TDS system which used PCA for generation and a 2mm thick &lt / 110&gt / ZnTe crystal for detection had a bandwidth up to 1 THz with a 1000:1 signal to noise ratio (S/N). Using this system, various materials were investigated to study the usefulness of the obtained bandwidth. Absorption coefficient and refractive indices of the sample materials were calculated. Results showed that the bandwidth of the system was not sufficient to obtain fingerprint properties of these materials. In order to improve the system, optical rectification method was used for THz generation. A different THz-TDS system was built with a 1mm thick &lt / 110&gt / ZnTe crystal used for the method of non-linear generation of THz radiation. Theoretical calculations of radiated intensity and electric field were done to analyze the expected bandwidth of the system. Results showed that the generation and the detection crystal thicknesses affect the obtained bandwidth of the system in that the bandwidth limiting factor is the crystal thickness and not the ultrafast laser pulse duration. Especially for detection, measurements obtained with both a 1mm thick and 2mm thick &lt / 110&gt / ZnTe crystal showed that there was not much difference in bandwidth as was predicted by theory. Also in order to increase the signal to noise ratio, the optics used in the system were optimized. It was found that by using same focal lengths for focusing and collimating optics around the generation crystal and by using a short focal length parabolic mirror, S/N could be improved. After these improvements this THz-TDS system which uses optical rectification for THz generation and electro-optic method for THz detection had a larger bandwidth up to 3 THz but with a lower 100:1 signal to noise ratio.

No description available.

Les travaux de cette thèse consistent à étudier le phénomène de rectification optique au sein de dispositifs plasmo-électroniques. L’adressage optique de ces composants, de taille extrêmement réduite et présentant un temps de réponse ultra-rapide, induit une conversion du champ incident en un courant statique mesurable. L’intégration monolithique d’éléments plasmoniques et électroniques requiert une connaissance détaillée des mécanismes de transport thermique et électrique à l’échelle du nanomètre. Ces travaux visent donc également à discuter l’ensemble des effets thermiques inhérents à l’excitation optique de ces dispositifs connectés dans le but d’identifier les différentes contributions entrant en jeu dans la génération d’un courant photo-assisté. / The work described in this manuscrit consists in studying the optical rectification within plasmo-electronic devices. These ultra-compact optically adressed components with an ultra-fast time response induces a conversion of the incident field into a static current. The monolithically-integrated electronically optical antenna requires a detailed knowledge of nanoscale thermal and electrical transport mechanisms. This work also aims to discuss all thermal effects inherent in the optical excitation of these connected devices, in order to identify the different contributions in the generation of a photo-assisted current.

Terahertz (THz) spectroscopy is a powerful tool that uses ultrashort pulses of light to study the properties of materials on picosecond time scales. THz light can be generated through a variety of methods. In our lab, we generate THz through the process of optical rectification in nonlinear optical (NLO) organic crystals. THz light can be used to study several phenomena in materials, such as spin precession, electron acceleration, vibrational and rotational motion. The work presented in this dissertation is divided into two parts: (1) the generation of THz light and (2) applications of THz light. The first portion of this work shows how THz light is generated, with an emphasis on the generation through optical rectification. We also show how to improve the generation of THz light by creating heterogenous multi-layer structures with yellow organic THz generation crystals. Additionally, we show that crystals used for THz generation can also be used to generate second-harmonic light. In the second half of this work, we show that THz light can be used to study the vibrational motion of molecular systems. We model how resonant vibrational modes in a fluorobenzene molecule can be excited with a multi-THz pump to transfer energy anharmonically to non-resonant modes. We also show that we can use two-dimensional (2D) THz spectroscopy to excite infrared-active vibrational modes and probe Raman-active modes in a CdWO4 crystal to obtain a nonlinear response. We show that the nonlinear response is due to anharmonic coupling between vibrational modes and we can quantify the relative strengths of these anharmonic couplings, which previously was only accessible through first-principles calculations.

Terahertz time-domain spectroscopy systems were developed and used for the anaylsis and characterization of various materials. By using ultra-fast Ti:Sapphire and Er-doped fiber lasers, terahertz time-domain spectrometers of different configurations were constructed and tested. To increase the accuracy and sensitivity of the measurements, the systems were optimized for spectroscopic analysis. MBE grown nominally undoped epitaxial GaAs samples were used for the spectroscopic measurements. These samples were first charactrized by electrical measurements in order to check the accuracy of the terahertz time-domain experiments. We have shown that the terahertz time-domin spectroscopic techniques provides a quick way of the determining the real ( ) and complex () components of the refractive index of material. In addition, we have investigated the photoexcitation dynamics of these GaAs samples. We have demonstrated that direct and photoexcited terahertz time-domain measurements give an estimate of the carrier densities and both the hole and electron mobility values with good precision. rnin An algorithm is developed to prevent the unwanted Fabry-Perot reflections which is commonly encountered in Terahertz Spectroscopy systems. We have performed terahertz time-domain transmission measurements on ZnTe &lt / 110&gt / crystals of various thicknesses to test the applicability of this algorithm. We have shown that the algorithm developed provides a quick way of eliminating the &ldquo / etalon&rdquo / reflections from the data. In addition, it is also shown that these &ldquo / etalon&rdquo / effects can be used for the frequency calibration of terahertz time-domain spectrometers.

Ces travaux de thèse portent sur l’étude de différents phénomènes non-linéaires ayantlieu dans le domaine térahertz (THz) au sein de cristaux de structure zinc-blende.En premier lieu, nous avons mis en place au laboratoire deux sources de rayonnementTHz intense, aux caractéristiques temporelles et spectrales bien distinctes. La premièrerepose sur le redressement optique d’une impulsion laser de durée femtoseconde dansun cristal de niobate de lithium, et la seconde est, quant à elle, basée sur la créationd’un plasma par focalisation d’un champ optique compos´e de l’impulsion fondamentalede pompe et de son second harmonique. Ces deux sources permettent de générer desondes THz dont l’amplitude est bien adaptée à la mise en oeuvre d’expériences d’optiquenon-linéaire.Nous avons ensuite caractérisé le comportement non-linéaire de cristaux de structurezinc-blende soumis à des champs THz intenses. Nous nous sommes ainsi intéressés àl’effet Pockels lors de l’interaction d’une impulsion THz intense et d’un champ optiquede faible intensité, dit sonde, au sein du matériau. Ceci nous a conduits à démontrerexpérimentalement et numériquement la possibilité de caractériser la phase spectrale del’impulsion sonde, à l’aide d’une technique équivalente au X-FROG. Nous avons égalementidentifié l’existence d’un processus non-linéaire dit de cascade, consistant en la générationde second harmonique induite par effet Pockels. Enfin, nous avons observé expérimentalementl’apparition d’un effet Kerr THz dans le cristal, nous permettant de déduire unevaleur moyenne de la susceptibilité non-linéaire du troisième ordre de ce matériau, `a l’aidede calculs théoriques et de simulations numériques. / This thesis project aims to study different non-linear processes in zinc-blende crystals,which take place in the terahertz (THz) range.First of all, two different light sources have been built in the laboratory, allowing us togenerate intense THz radiations with different temporal and spectral characteristics. Thefirst source is based on the optical rectification of a femtosecond laser pulse in a lithiumniobate crystal using the tilted pulse front technique, while the second one is based on aplasma, created through the focalization of a two-color femtosecond laser field. These twoTHz sources reach very high amplitudes, which allows us to study non-linear phenomenain the THz range.Among these, we have measured the non-linear behavior of zinc-blende crystals underintense THz radiation. We were particularly interested in the Pockels effect happeningduring the interaction of an intense THz field and a weak optical probe beam. This droveus to the experimental and numerical demonstration of a new method to characterize thespectral phase of the optical probe field. This method is equivalent to the X-FROG technique.We also identified a new non-linear phenomenon, consisting of the cascade of twosecond-order processes, namely the Pockels effect and the Second Harmonic Generation.Finally, we experimentally observed some THz Kerr effect in a gallium phosphide crystal,which allowed us to calculate an average value of its third-order non-linear susceptibility,thanks to theoretical considerations and simulations.

Les nano-antennes optiques constituent un élément clé pour le contrôle et l’intéraction lumière/matière à l’échelle nanométrique. Ces systèmes opèrent dans le domaine de l’optique visible et proche infrarouge. Les propriétés de ces composants sont contrôlées en modifiant la taille, la forme et le matériau utilisé. Ces paramètres sont ajustés par les processus de fabrication de l’antenne. Dans le domaine des radio-fréquences, le tuner permet d’ajuster la fréquence de résonance de l’antenne de façon dynamique. Nous avons dans le cadre de cette thèse voulu adapter ce concept de tuner au domaine de l’optique. Le principe employé consiste à changer la résistance de charge de l’antenne, c’est-à-dire l’indice du milieu électrique environnant. Pour cela, nous avons utilisé un matériau anisotrope constitué de molécules de cristaux liquides. L’indice optique est alors modifié par l ’application d’un champ électrique statique. Le changement des propriétés spectrales ainsi que de diffusion d’une antenne de type dimère sont ici démontrées.Toujours en analogie avec les antennes radio-fréquences, nous avons étudié la propriété de transduction électron-photon dans le cas des antennes optiques. Dans ce but, nous avons considéré deux configurations. La première concerne l’utilisation de nanotubes de carbone placés dans une configuration de transistor à effet de champ. Ces objets émettent de la lumière par une recombinaison de paires électrons-trous dans le domaine des longueurs d’ondes Télécom. La seconde configuration emploie des jonctions tunnels fabriquées par électro-migration. Dans ce cas là, la jonction est assimilée à une antenne à interstice. A cause des faibles dimensions des jonctions (autour de 1 nm), nous nous sommes intéressés à la réponse en optique non linéaire de ses objets. Cette technique permet de localiser la jonction tunnel grâce à une forte exaltation du signal. L’etude des différentes caractérisques de ses jonctions sont ici présentées. Une fois la transduction du signal réalisée par l’antenne radiofréquence, celui-ci est acheminé via une ligne de transmission. A l’ échelle nanométrique, les guides plasmoniques s’avèrent être un type de structure approprié. Dans ce cas, les guides peuvent à la fois servir d’´electrode mais aussi de guide. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié par microscopie à fuites radiatives, dans l’espace direct et réciproque, la plus simple des géométries : le guide ruban métallique. Nous avons cherché à comprendre, pourquoi ce type de structure présente une largeur de coupure. / Optical nano-antennae are the new class of components to control light/matterinteraction at the nanoscale. These devices are operating in the visible to near infraredpart of the spectrum. The properties of these nano objects are controlled by theform, the size and the material.In the radio frequency domain, the tuner changes dynamically the operatingwavelength of the antenna. In this thesis work, we search to transfer this conceptto the nanoscale. The principle is to change the load impedance of the antenna, i.e.changing the optical index of the dielectric medium around the nano-object. Forthat we used anisotropic liquid cristal molecules. The value of the optical index iscontrolled by applying an external electrical static field. The effects on the spectraland scattering properties are demonstrated on a single dimer nano-antenna.However with the microwave antennae, we were interesting to the electronsphotonstransduction with an optical antenna. In this mind, we studied two differentsconfigurations. The first one concerns the use of carbon nanotubes placedin a field effect transistor configuration. These nano-objects emit light in the Telecomwavelength range by a radiative combination of electrons and holes. the secondconfiguration used planar tunnel junctions made by electromigration. In this case,the junctions are view as an optical gap antenna. Because the gap are very small(around 1 nm), we have studied the nonlinear optical response of these objects. Thisnonlinear optical characterization allows to determined the location of the tunneljunctions by an enhancement of the optical signal. The results about the properties(electrical and optical) of these tunnel junctions are presented.Once the transduction by the radio frequency antenna is achieved, this signalis transporting by a transmission line. By transposition at the nanoscale, the plasmonicswaveguides prove to be the most appropriate structure. In this case, theycould be used as an electrode or a waveguide. In this thesis work, we have studiedby leakage radiation microscopy, in the direct and reciprocal space, the simplestgeometry : plasmonic metal strips. We search to understand why these structureshave a cut-off width.

Cette thèse présente l’étude théorique et expérimentale de la génération et de la mise en forme d’impulsions térahertz (THz). Dans un premier temps, nous avons étudié la génération d’impulsions THz par redressement optique d’impulsions laser femtosecondes intenses dans des cristaux semiconducteurs de ZnTe. Nous avons mis en évidence une forte dépendance de l'efficacité de ce processus de génération avec l'intensité de l'impulsion laser génératrice. Ceci se traduit en particulier par un décalage progressif du spectre vers les basses fréquences et par une évolution anormale de l'énergie THz avec l'intensité laser. Ces comportements résultent d'une combinaison de trois phénomènes : la déplétion de l’impulsion laser au cours de sa propagation dans le cristal, l’absorption de l'onde THz par les porteurs libres créés par absorption à deux photons et une modification de la condition d’accord de phase. Dans un deuxième temps, nous avons développé une approche analytique permettant de générer des impulsions THz de formes particulièrement intéressantes pour les expériences de spectroscopie cohérente ou de contrôle cohérent. Nous avons notamment généré des paires d'impulsions verrouillées en phase, des trains d'impulsions, ainsi que des impulsions THz accordables de grande finesse spectrale. Cette technique repose sur le redressement optique d’impulsions laser femtosecondes mises en forme à l’aide d’un masque à cristaux liquides placé dans le plan de Fourier d’une ligne à dispersion nulle. Afin de démontrer la validité de notre approche, nous avons également développé un programme de simulation qui donne des résultats en très bon accord avec l'expérience. / This thesis deals with the theoretical and experimental study of the generation and shaping of terahertz (THz) pulses. At first, we have studied the generation of THz pulses by optical rectification of intense femtosecond laser pulses in semiconductor ZnTe crystals. We have demonstrated a strong dependence of the efficiency of the generation process with the intensity of the laser pulse. This is evidenced by a progressive shift of the spectrum towards lower frequencies and an abnormal evolution of the THz energy with laser intensity. These behaviors result from a combination of three phenomena: the depletion of the laser pulse during its propagation in the crystal, the absorption of THz wave by free carriers created by two-photon absorption and a change of the phase matching condition. Secondly, we have developed an analytical approach to generate THz shaped pulses particularly interesting for coherent spectroscopy or coherent control. In particular, we have generated phase-locked THz pulses pairs, pulse trains and tunable narrow-band THz pulses. This technique is based on optical rectification of shaped femtosecond laser pulses generated by a liquid crystal Fourier filter. To demonstrate the validity of our approach, we have also developed a program giving results in very good agreement with experiment.