Les dispositifs optoélectroniques sont importants pour nombreuses applications de la vie de tous les jours : ordinateurs, téléphones, les objets connectés en général. La gamme spectrale du THz (0.1-10 THz) reste cependant un domaine industriellement peu exploité en raison de problèmes intrinsèques à la génération et détection des photons THz.De nombreuses applications relèvent pourtant du THz, dans les domaines médicaux par exemple, pour la détection des gaz à l’état de trace, ou bien pour l’imagerie d’objets opaques dans le visible.Cette thèse se focalise sur les photodétecteurs à puits quantiques (QWIPs) et les lasers à cascade quantique (QCLs) fonctionnant dans la gamme du THz dans le but de développer des dispositifs compacts, rapides et sensibles (mais fonctionnant à températures cryogéniques). Nous avons utilisé des résonateurs à anneau fendu, inspirés des travaux sur les métamatériaux, pour concevoir et développer des détecteurs sub-longueur d’onde accordables en fréquence dans la gamme spectrale du térahertz grâce à une inductance externe. En ce qui concerne les émetteurs, cette thèse étudie les micro-lasers THz qui utilisent des résonateurs de type microdisques, avec pour but de concevoir et fabriquer des lasers fonctionnant sur le mode électromagnétique fondamental. Les futures perspectives de ce travail concernent la réalisation d’un laser entièrement sub-longueur d’onde et rapide dans la gamme spectrale du THz. / Optoelectronic devices are crucial for many applications in everyday life: computers, smartphones, connected objects in general.The THz range (0.1-10 THz) still remains industrially unexploited because of the intrinsic difficulties to produce or generate THz photons. However, many applications exist for THz radiation : in the medical field for example, for the sensitive detection of gases, or for the imaging of concealed objects in the visible range.This thesis focuses on quantum well photodetectors (QWIPs) and quantum cascade lasers (QCLs) operating in the THz range in order to develop compact, fast and sensitive devices (but operating at cryogenic temperatures).We used Split Ring Resonators (SRR), inspired by metamaterial research, in order to design and develop subwavelength tunable THz detectors with an external inductance.Concerning lasers, this thesis studies THz micro-lasers using microdisk resonators with the aim of designing and manufacturing lasers operating on the fundamental electromagnetic mode (dipolar mode). The future perspective of this work is to build an entirely sub-wavelength and fast laser in the THz spectral range.

La spectrométrie photoacoustique QEPAS constitue l’une des méthodes les plussensibles pour la détection de gaz à l’état de traces. Ses performances sont étroitement liées àcelles de sa source de lumière infrarouge cohérente et de son résonateur mécanique qui détecteles ondes acoustiques. La thèse a pour objectif de développer ces deux briques élémentaires.Dans un premier temps, les performances des résonateurs mécaniques sont modélisées, permettantde mieux comprendre leur comportement. Une formule analytique originale de leurfacteur de qualité y est incorporée, permettant de prédire avec précision les pertes qu’ils subissentlorsqu’ils résonnent dans un gaz. Grâce à ces modèles, de nouveaux résonateurs optimiséssont conçus et réalisés, aboutissant à des performances améliorées. Dans un secondtemps, les sources cohérentes infrarouges QCL et OPO sont améliorées pour la photoacoustique.L’impulsion de pompe optimale pour un OPO est présentée pour distribuer au mieuxl’énergie de pompe disponible dans le temps, et ainsi maximiser le rendement de rayonnementinfrarouge disponible. Un logiciel de simulation numérique original des OPOs est égalementcréé, et permet de simuler rapidement le spectre d’émission d’un OPO quelconque. / Infrared photoacoustic spectrometry QEPAS is one of the most sensitive techniquefor trace gas sensing. The goal of the thesis is to improve the two key elements of the instrument: the mechanical resonator and the coherent infrared light source.First, the use of resonators as an acoustic waves sensor is investigated, allowing to better understandtheir behavior. Our modeling include a new analytical formula of their quality factor,predicting the amount of losses they experience when immersed within a gaz. The models areused to design and fabricate new custom resonators, leading to enhanced performances. Second,two infrared sources named QCL and OPO are optimized for the photoacoustic application.The optimal pump pulse for an OPO is derived to efficiently distribute the available pumpenergy in time, hence maximizing the yield of infrared light. A simulation software has alsobeen created for OPOs, able to quickly predict the spectrum of any type of OPO.

Der Quantenkaskadenlaser hat sich als die beste Technologie für das mittlere Infrarot erwiesen, da sich seine Emissionswellenläge durch die Änderung seiner Geometrie einstellen lässt. Das Ziel dieser Dissertation ist eine neue aktive Regionen für die Mid-InfrarotRegion über 10 µm zu analysieren und zu entwickeln. Diese Arbeit konzentriert sich in Kapitel 2 zunächst auf das Verständnis der wichtigsten Prozesse, die in der aktiven Region der langen Wellenlänge des Quantenkaskadenlasers auftreten. In diesem Kapitel werden die typischen Simulationen des aktiven Bereichs und die Simulationen von Intensitäts-Spannungskurven und Verstärkungskurven ausführlich erläutert. Das Kapitel 3 konzentriert sich auf das Design von Quantenkaskadenlasern. Die Hauptpunkte sind das Verständnis des Verstärkungsprozesses in einer aktiven Region sowie die verschiedenen Arten von aktiven Regionen. Schliesslich wird ein halbautomatisches Programm beschrieben, das es ermöglicht, aktive Bereiche zu entwerfen und dessen Nützlichkeit wird dargelegt. Kapitel 4 behandelt den technologischen Prozess des Quantenkaskadenlasers und beinhaltet die Erfahrungen. Kapitel 5 ist das Schlüsselkapitel dieser Arbeit. In diesem Kapitel werden mehrere Laser nach unterschiedlichen Designs entwickelt, die mit Hilfe des im Kapitel 3 beschriebenen Programms erhalten wurden. Diese Designs werden dann sorgfältig analysiert und verglichen, um die grundlegenden Mechanismen besser zu verstehen. Schliesslich werden diese Entwürfe mit dem Stand der Technik verglichen. Die letzten beiden Kapitel konzentrieren sich mehr auf die Verbesserung des einmal gewachsenen Quantenkaskadenlasers. Kapitel 6 zeigt die Widerstandsfähigkeit des Quantenkaskadenlasers beim Glühen und zeigt sogar eine Leistungssteigerung bei bestimmten Glühtemperaturen. Kapitel 7 das Konzept der Wellenlängenabstimmung von Quantenkaskadenlasern durch Hinzufügen eines externen Hohlraums mit einem wellenlängenselektiven Element für die Spektroskopie. / The Quantum Cascade Laser has proven to be the best technology for the mid-infrared due to its unique feature of engineering of its emission wavelength simply by changing its geometry. The goal of this PhD thesis is to analyse and design new active regions for the mid-infrared region above 10 µm. To this effect, this thesis focuses first on the understanding of the key processes occurring in the active region of long wavelength quantum cascade lasers during chapter 2. This chapter explains in details the typical simulations of active region and the simulations of intensity-voltage curves and gain curves. Chapter 3 focuses on the design of quantum cascade lasers. The main points are the understanding of the gain process in an active region as well as the different types of active regions to achieve gain. Finally, a semi-automatic program allowing to design active regions is described and its usefulness demonstrated. The next chapter, chapter 4 is here to treat the technological process of quantum cascade laser and to gather the experiences acquired over the length of this PhD in the laboratory. Chapter 5 is the key chapter in this thesis. In this chapter, several lasers are grown following one of the design obtained thanks to the program described in chapter 3. Those design are then carefully analysed and compared to understand better the mechanisms at plays. Finally, those designs are compared with state of the art designs. The last two chapters are more focus on improving the quantum cascade laser, once grown. Chapter 6 demonstrates the resilience of quantum cascade laser to annealing. Finally, chapter 7 illustrates the concept of wavelength tuning of quantum cascade lasers by adding an external cavity with a wavelength selective element .This chapter focuses on the development of a compact external cavity quantum cascade laser as well as its application for spectroscopy.

Des applications comme les contre-mesures optiques nécessitent des sources puissantes et avec une bonne qualité de faisceau dans le moyen infrarouge. Le laser à cascade quantique (LCQ) est une solution prometteuse mais la puissance fournie par ces lasers n’est pas suffisante. La combinaison cohérente de plusieurs de ces sources devrait permettre de sommer leurs puissances tout en conservant la qualité de faisceau d’un émetteur unique et constitue donc une solution intéressante pour contourner l’actuelle limitation en puissance des LCQ.Nous présentons une étude théorique et expérimentale de la combinaison de faisceaux cohérente de LCQ dans une cavité externe commune utilisant un coupleur de faisceaux. La mise en phase est ici totalement passive puisque fondée sur la minimisation des pertes dans la cavité globale : on parle d’auto-organisation. Un modèle général permettant de quantifier l’efficacité de combinaison et la stabilité de telles cavités est développé. Dans un premier temps, on montre expérimentalement que la combinaison cohérente de deux LCQ dans une cavité Michelson est une solution efficace et stable. Pour combiner plus d’émetteurs il est nécessaire de concevoir des coupleurs de faisceaux dans le moyen infrarouge efficaces. Pour cela, nous avons étudié deux types de réseaux : les réseaux de phase binaire (réseaux de Dammann) et des structures à gradient d’indice composées de motifs sub-longueur d’onde. Le dessin et l’optimisation de telles structures fait appel à la théorie des milieux artificiels et nécessite l’utilisation d’un code de résolution rigoureuse des équations de Maxwell (RCWA). Enfin, la combinaison cohérente de cinq LCQ en cavité externe avec un coupleur de faisceaux est démontrée expérimentalement et la combinaison d’un plus grand nombre de LCQ est discutée. En conclusion, nous présentons une solution originale pour réaliser la combinaison cohérente passive de LCQ et ainsi apporter une solution à l’augmentation de puissance dans le moyen infrarouge. / Powerful sources in the mid-infrared with a good beam quality are highly needed for applications such as optical countermeasures. The quantum cascade laser (QCL) is a promising solution but the maximum power achievable is not sufficient. The coherent beam combining of several QCL could lead to higher output power in the same beam and thus is an interesting solution to circumvent the current power limitation of these sources.We present a theoretical and experimental study of the coherent beam combining of QCL in a common external cavity with a beam combiner. The phase locking is totally passive since it is only based on loss minimization in the external cavity: it is a self-organization process. A general model is developed to quantify the combining efficiency and the stability that can be obtained from this method. Experimentally, the coherent combining of two QCL in a Michelson cavity is studied first and demonstrated to be efficient and stable. In order to combine more emitters, an efficient beam combiner must be designed in the mid-infrared. For that purpose, two type of gratings, a classical binary phase grating (or Dammann grating) and a more complex gradient-index structure made of local sub-wavelength patterns are designed and compared. The calculation and optimization of this sub-wavelength structure is based on the artificial media theory and is achieved with rigorous coupled wave analysis (RCWA). Finally, the coherent combining of five QCL in an external cavity with a binary phase grating is demonstrated and the scalability to the combining of more emitters is discussed. In conclusion, we present an original solution to combine coherently several QCL and thus address the power scaling issue in the mid-infrared.

Inhalt der Arbeit sind Untersuchungen zu mit der Molekularstrahlepitaxie (MBE) realisierten Materialkonzepten für ultra-schnelle Anwendungen in der Photonik. Nominell undotierte und Be dotierte GaInAs/AlInAs Vielfach-Quantenfilm Strukturen (MQW) wurden auf semi-isolierenden InP Substraten bei Wachstumstemperaturen bis zu 100°C mittels MBE (LT-MBE) abgeschieden. Untersucht wurden die kristallinen, elektrischen und optischen Eigenschaften dieser Schichtstrukturen im unbehandelten und ausgeheilten Zustand. Die elektrischen und optischen Eigenschaften der LT-MQWs sind auf Zustände nahe der Leitungsbandkante von GaInAs zurückzuführen. Die Dynamik der Ladungsträgerrelaxation wurde durch Anrege- und Abtastexperimente bestimmt. Messungen der differentiellen Transmission mit zusätzlicher Dauerstrichanregung, sowie Messungen mit zwei kurz aufeinander folgenden Anregepulsen, belegen das Potential von Be dotierten unbehandelten (ausgeheilten) LT GaInAs/AlInAs MQW Strukturen für die Verwendung in optischen Schaltern mit Schaltfrequenzen in der Größenordnung von 1 Tbit/s (250 Gbit/s). Die spannungsinduzierten Änderung der Interband-Transmission von Quantenkaskadenlaser (QCL) im gepulsten Betrieb wurde anhand von 8 Band k*p Berechnungen analysiert. Die Auswirkungen unterschiedlicher Ladungsträgerverteilungen und Probenerwärmung sind gegenüber dem dominierenden Effekt des elektrischen Feldes auf die Interband Transmission zu vernachlässigen. Der Einfluss von MBE Wachstumsparameter auf die Grenzflächenqualität von AlAsSb/GaInAs Heterostrukturen wurde anhand von Hall Messungen, temperatur- und intensitätsabhängigen PL Messungen, spektralen Messungen der Interband- und Intersubbandabsorption bestimmt. Bandstruktur-Näherungsrechnungen ermöglichten, den Einfluss von In Segregation und Sb Diffusion auf die Intersubbandabsorption zu analysieren. Intersubband Übergänge bei Wellenlängen von ca. 1800 nm (1550 nm) wurden in MQW (gekoppelten QW) Strukturen realisiert. / The present work describes investigation of new material concepts accomplished using molecular-beam-epitaxy (MBE) growth for application in ultra-fast photonic components. Nominally undoped and Be doped GaInAs/AlInAs multiple-quantumwell structures (MQW) were grown by MBE at growth temperatures down to 100 °C (LT-MBE) on semi-insulating InP substrates. Crystalline, electric and optical properties of as-grown and annealed structures were investigated. Energy states near the conduction band of GaInAs determine the electrical and optical properties of LT-MQWs. The dynamics of charge carrier relaxation was studied by means of pump and probe experiments. Measurements of the differential transmission when excited by an additional cw laser and measurements utilizing two closely sequenced pump pulses support the capability of Be doped as-grown (annealed) LT GaInAs/AlInAs MQW structures for use in optical switches at switching frequencies in the 1 Tbit/s (250 Gbit/s) range. The voltage-induced change of interband transmission of InP based quantum-cascade-lasers (QCL) during pulsed mode operation was analyzed by means of 8 band k*p calculations. The impacts of varying charge carrier distributions and of electrically heated samples can be neglected compared to the dominating effect of the electrical field on the interband transmission. The impact of MBE growth parameters on the interface quality of AlAsSb/ GaInAs heterostructures were determined by means of Hall measurements, temperature- and intensity-dependent PL measurements and spectral measurements of the interband- and intersubband-absorption. The impact of In segregation and Sb diffusion on the intersubband absorption was analyzed on the basis of bandstructure calculations. Intersubband transitions at wavelengths of about 1800 nm (1550 nm) were successfully achieved in MQW (coupled QW) structures.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Optimierung von Terahertz-Quantenkaskadenlasern (THz-QCLs) für die Anwendung als Lokaloszillator in THz-Heterodyndetektoren, insbesondere für die Detektion der astronomisch wichtigen Sauerstoff (OI) Linie bei 4.75 THz. Hierfür wurden zunächst unterschiedliche QCL-Heterostrukturen untersucht. Basierend auf einer Heterostruktur, welche schnelle Intersubbandübergänge über Streuung an Phononen ausnutzt, konnten QCLs mit hoher Ausgangsleistung und niedriger Betriebsspannung bei 3 THz erzielt werden. Während diese Laser auf dem Materialsystem GaAs/Al_xGa_(1-x)As mit $x=0.15$ basieren, führt die Erhöhung des Al-Anteils auf x=0.25 für ähnliche Strukturen zu sehr niedrigen Schwellstromdichten. Durch schrittweise Optimierungen gelang es, QCLs zu realisieren, die bei 4.75 THz emittieren. Mit Hilfe von lateralen Gittern erster Ordnung für die verteilte Rückkopplung (DFB) konnten Einzelmoden-Dauerstrichbetrieb mit hoher Ausgangsleistung, sowie Einzelmoden-Betrieb innerhalb des spezifizierten Frequenzbereichs bei 4.75 THz erzielt werden. Eine allgemeine Methode zur Bestimmung der DFB-Kopplungskonstanten erlaubt eine gute Beschreibung der Laser innerhalb der etablierten Theorie der gekoppelten Moden für DFB-Laser mit reflektiven Endfacetten. Oft steht das Auftreten negativer differentieller Leitfähigkeit bei höheren Feldstärken und die damit verbundenen Bildung von elektrischer Felddomänen (EFDs) im Konflikt mit einem stabilen Betrieb der THz-QCLs. Es wird gezeigt, dass stationäre EFDs mit Diskontinuitäten in der statischen Licht-Strom-Spannungskennlinie verbunden sind, während Selbstoszillationen, verursacht durch nicht-stationäre EFDs, eine zeitliche Modulation der Ausgangsleistung bewirken. Mit Hilfe einer effektiven Driftgeschwindigkeit für QCLs lassen sich viele der beobachteten Phänomene durch die nichtlinearen Transportgleichungen für schwach gekoppelte Übergitter beschreiben. / This thesis presents the development and optimization of terahertz quantum-cascade lasers (THz QCLs) as sources for heterodyne receivers. A particular focus is on single-mode emitters for the heterodyne detection of the important astronomic oxygen (OI) line at 4.75 THz. Various active-region designs are investigated. High-output-power THz QCLs with low operating voltages and emission around 3 THz are obtained for an active region, which involves phonon-assisted intersubband transitions. While these QCLs are based on a GaAs/Al_xGa_(1-x)As heterostructure with x=0.15, similar heterostructures with x=0.25 allowed for very low threshold current densities. By successive modifications of the active-region design, THz QCLs have been optimized toward the desired frequency at 4.75 THz. To obtain single-mode operation, first-order lateral distributed-feedback (DFB) gratings are investigated. It shows that such gratings allow for single-mode operation in combination with high continuous-wave (cw) output powers. A general method is presented to calculate the coupling coefficients of lateral gratings. In conjunction with this method, the lasers are well described by the coupled-mode theory of DFB lasers with two reflective end facets. Single-mode operation within the specified frequency bands at 4.75 THz is demonstrated. Stable operation of THz QCLs is often in conflict with the occurrence of a negative differential resistance (NDR) regime at elevated field strengths and the formation of electric-field domains (EFDs). Stationary EFDs are shown to be related to discontinuities in the cw light-current-voltage characteristics, while non-stationary EFDs are related to current self-oscillations and cause a temporal modulation of the output power. To model such effects, the nonlinear transport equations of weakly coupled superlattices are adopted for QCLs by introducing an effective drift velocity-field relation.

Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit traite du développement de dispositifs à base de dioxyde de vanadium VO₂ et de méta-surfaces dans le moyen infrarouge pour des applications passives et une intégration sur des lasers à cascade quantique (QCL). Ce travail a permis l'élaboration de nouvelles conditions de dépôt du matériau à changement de phase VO₂ par ablation laser pulsé à des températures compatibles avec les hétérostructures de III-V utilisées en optoélectronique. Les caractérisations des couches minces déposées montrent un changement de la réflectivité et de la conductivité électrique entre l'état isolant à basse température et l'état métallique à haute température autour de 68°C (341 K). Des développements ont ensuite été menés sur l'emploi d'un réseau de méta-surfaces permettant d'obtenir une couche homogène d'indice de réfraction effectif résonnant. Ces méta-surfaces sont constituées de résonateurs à anneau fendu dont la fréquence de résonance peut être ajustée par le choix de leurs paramètres géométriques et des matériaux les constituant. Une modulation optique de plus de 100cm-1 du pic de la résonance a été obtenue lors de la transition de phase avec des méta-surfaces déposées sur un film de VO₂. Ce résultat est très prometteur pour la conception de dispositifs monolithiques, robustes, compacts, accordables en fréquence et dont les propriétés optiques ne dépendent que de la température de la couche de VO₂.Enfin, ce travail étudie la fonctionnalisation des QCL dans le moyen infrarouge (7-8 µm) par des couches de VO₂ et de méta-surfaces. Il vise à comprendre l’influence des couches intégrées sur les propriétés d’émission. Afin de garantir une bonne interaction entre ces couches et le mode guidé du laser tout en ayant des pertes optiques faibles, des nouveaux guides d'onde ont été modélisés, puis les premiers QCL à base de VO₂ ont été démontrés et une température maximale de fonctionnement de 334 K a été mesurée. / The thesis work presented in this manuscript deals with the development of vanadium dioxide VO₂ and meta-surfaces based devices in the mid-infrared for passive applications and an integration on quantum cascade lasers (QCL).This work enabled the elaboration of new deposition conditions for the VO₂ phase change material by pulsed laser ablation at temperatures compatible with III-V heterostructures used in optoelectronics. The characterizations of the VO₂ coated thin films show a change in reflectivity and in electric conductivity between the insulating state at low temperature and the metallic state at high temperature around 68°C (341 K).Developments were then carried out on the use of a meta-surfaces array in order to obtain an homogeneous layer of resonant effective refractive index. These meta-surfaces are constituted by split-ring resonators, whose resonance frequency can be adjusted by choosing their geometric parameters and the materials they are made of. An optical modulation of more than 100cm-1 of the resonance peak has been obtained during the phase transition with meta-surfaces deposited on a VO₂ layer. This result is very promising for the conception of monolithic, robust, compact, frequency tunable devices and whose optical properties only depend on the VO₂ layer temperature.Finally, this work studies the functionalization of mid-infrared QCL (7-8 µm) with VO₂ and meta-surfaces layers. It aims at understanding the influence of the integrated layers on the emission properties. In order to ensure a good interaction between these layers and the laser guided mode while having low optical losses, new waveguides were modeled, then the first VO₂ based QCL have been demonstrated and a maximum operating temperature of 334 K has been measured.

No description available.

Mitt-Infrarot-Technologie (mid-IR) ist ein äußerst leistungsfähiges Werkzeug für die Anwendung in der Molekülspektroskopie, da die Schwingungsmoden vieler Moleküle in diesem Wellenlängenbereich liegen. Der Quantenkaskadenlaser mit externem Resonator (EC-QCL) kann alle Bereiche dieses Spektrums abdecken. Das Hauptanliegen dieser Arbeit ist die Verbesserung der Leistung des EC-QCL im Hinblick auf die Breite des Wellenlängen-Durchstimmbereichs und die Laserleistung. Theoretische Untersuchungen bestätigen zunächst, dass der QCL die Schlüsselrolle bei EC-Systemen einnimmt: Die Effizienz des EC wird bestimmt durch die Effizienz des QCL und die Güte der Antireflex-Schicht (ARC) der Laserfacette. Die Breite des Durchstimmbereichs wird bestimmt durch das Gain-Spektrum des QCL. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die QCL in unserer Gruppe hergestellt und vom QCL-Wachstum selbst bis hin zur Facettenbeschichtung optimiert. Eine der größten Herausforderungen in der Herstellung des EC-Systems ist die Reduktion des Reflexionsvermögens innerhalb der Facetten des Laserchips. Dafür haben wir ein neues ARC-Konzept entwickelt und auf dem beschichteten Substrat demonstriert, dass innerhalb des gesamten, sehr breiten Wellenlängenbereichs von 7–12 μm die Reflexion auf unter 1% reduziert wird. Das Beschichtungsmodell wurde außerdem auf „broad-gain“-QCL-Facetten angewendet, wodurch die Reflexion auf 0,75% über den gesamten Emissions-Wellenlängenbereich reduziert werden konnte. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung und Konstruktion von EC-Lasersystemen. Es wurden zwei kompakte Laser vom Littrow-Typ entwickelt, die von 920 cm-1 bis 1190 cm-1 durchstimmbar sind und die eine Pulsleitung von 0.45 W erreichen. Außerdem wurde eine neue optische Konfiguration des EC-Systems vorgeschlagen um eine höhere Ausgangsleistung zu erzielen. Dieser „Intra-cavity Out-coupling Laser“ erreicht eine Pulsleistung von 1 W und den gleichen Emissionbereich wie die beiden Littrow-Laser. / Mid-infrared (mid-IR) technology is a very powerful tool for molecular spectroscopy since vibration modes of many molecules lie in this wavelength range. The External-Cavity Quantum Cascade Laser (EC-QCL) can cover any part of this spectral range. The main goal of this study is to improve EC-QCL performance in terms of wavelength tunability and laser power. The theoretical study about Quantum Cascade Laser (QCL) and EC systems has confirmed that the QCL plays the core role of EC-QCL systems; the power efficiency of an EC system is determined by the combination of the power efficiency of QCL and AR-coating of the laser facet. The width of the tuning range is determined by the gain spectrum of QCL. During this work, QCLs have been fabricated in our group and the optimization of these factors were carried out with various approaches, from QCL growth to facet coatings. One of the major challenges in making EC systems is to reduce the intra-facet reflectivity of the laser chip, and we first proposed a new anti-reflection (AR) coating concept and demonstrated its performance for the first time to the community, achieving good reduction of reflection of the AR-coated substrate over 7-12 μm range, keeping below R < 1% reflection over the entire spectrum. The coating model was applied on broad-gain QCL facets, and the reflection was reduced to 0.75% over the entire emission wavelength range. Furthermore, this work focused on the development and engineering of laser systems, and two compact Littrow-type lasers and an EC system with a new optical configuration have been developed, achieving good performances; tunable from 920 cm-1 to 1190 cm-1 and 0.45 W pulse power. The new type of laser, an Intra-cavity out-coupling EC laser, was also proposed to enhance the power output and achieved over 1 W pulse power with keeping the same tuning range as the Littrow-type. / 中赤外分光の技術は非常に有用である。これはとりわけ多くの分子振動モードがこの波長帯域に存在しているためである。可変長レーザーである外部共振器量子カスケードレーザー(External cavity quantum cascade laser, EC-QCL)は、これらスペクトル領域を網羅することが可能で、したがって、EC-QCLは産業スケールを含めた、標準的な光源として非常に潜在的である。商品化のフェーズをさらに推し進めるため、このレーザー性能におけるボトムアップの技術が求められてる。 多くの中赤外光のアプリケーションには広帯域の光源が求められている。この研究はおもにそうした性能を最大化することを背景としている。具体的な目的としては、波長の変調性および光源の強度の向上である。これらの目的に取り組むため、我々はいくつかの段階にステージ化して研究を進めてきた。まず初めに、QCLおよびEC-QCLの基本的な特性の追求から始めた。QCLおよびEC-QCLの物理機構の理論的な考察を行い、これらからEC-QCL形態における要素の最適条件もしくは要請を求めた。QCL素子が、その主要な部位であり、EC系におけるほとんどの性能特性である量子効率、変調領域幅、増幅器の光学損失を決定する。 さまざまなアプローチによりこれら緒特性の最適化が行われた。 この研究のなかで、我々グループ内でシステムの心臓となるQCL素子の全製造プロセス(結晶成長から素子コーティングに至るまで)をおこなった。これら製造手順および性能特性の詳細もまた本論文に記す。 ECレーザーにおける要請特性の中で特に困難な課題として、レーザー素子の内部断面(intra-facet)の反射率の低減があげられる。これに応じるものとして、我々は新たな反射防止膜のコンセプトで、特に中赤外光領域に有益なものを提案した。この実現のために、様々な誘電体物質の光学特性を調べ、中赤外光の応用に最適なものを選択し、実際のコーティングに応用した。ここで提案されたモデル``quasi-Lockhart'' (疑ロックハート)のコーティングは、実験によりその高い性能が実証された。波長7–12 μmの領域をカバーし、かつその全領域内で反射率を1%以下に抑えることができた。またこのコーティングは広帯域ゲインのチップにも施され、その反射率を全体域をカバーしながら、0.75%まで低減させた。この成果はEC-QCLだけでなく、一般の中赤外光の光学コーティングにおいても大いに有用であろう。 さらに、我々は本研究の中でレーザーシステムの構築にも取り組んだ。この研究のなかで、二台のLittrow型レーザーと、新たな光学系をもつECレーザーを構築し、その高性能性を実証した。Littrow型では920 cm-1-1190 cm-1の帯域とパルス強0.45 Wを達成。新たなレーザーシステムであるIntra-cavity out-coupling系は従来の系にくらべ高出力することを目的とされ、その帯域を維持しながら、パルス強1~Wの出力を達成した。またこれら新たなシステムを用いて、またプロジェクトバートナーとの食道癌の細胞イメージングも試験、およびグループにおいてアンモニアの吸光度測定を実施した。

This thesis presents work examining the characteristics and applicability of quantum cascade lasers. An introduction is given explaining both the desire for a widely tunable, narrow bandwidth device working in the midinfrared, as well as detailing the ways in which quantum cascade lasers (QCLs) fulfill these requirements. The development and manufacture of QCLs are then discussed. The experimental section of this thesis is then split into three parts. Chapter 2 concerns the characterisation and application of several pulsed QCLs. The intrapulse mode of operation is employed and the effect of the resulting rapid frequency chirp upon molecular spectra is investigated in the form of rapid passage signals. The evolution of said rapid passage signals is then investigated as a function of chromophore pressure and identity, with different QCLs, chirp rates, and optical path lengths. The prospect of producing population transfer with chirped lasers is discussed. Chapters 3, 4, and 5 are then concerned with the application and characterisation of continuous wave QCLs. In these chapters a widely tunable commercially produced EC-QCL is utilised as well as two DFB QCLs, one of which is used in tandem with a home-made mount and temperature controller. In Chapter 3 a number of sensitive detection techniques are compared with the employment of wavelength modulation spectroscopy, long path cells and optical cavities, and the narrow bandwidth of QCLs utilised to determine a previously unknown spectral constant of DBr. Chapters 4 and 5 then utilise the high power of an external cavity quantum cascade laser in sub-Doppler Lamb-dip and polarisation spectroscopy measurements and then a pump-probe experiment. The laser linewidth is investigated on a millisecond timescale returning a current noise limited value of c.a. 2 MHz and the fundamental linewidth of the device investigated by altering the injection current. Chapter 5 is concerned with the pump-probe experiment, directly measuring the hot band absorption in a ladder like transition (R(6.5)$_\frac{1}{2}$ $v=1\leftarrow0$ and P(7.5)$_\frac{1}{2}$ $v=1\leftarrow0$). The Bennett peak in the hot band is observed with a DFB-QCL swept at $\sim 0.15$ MHz ns$^{-1}$ and is seen not just as a pump bandwidth limited lineshape, but as a highly velocity selected rapid passage signal. The effect of pressure, pump and probe scan rate and power upon this rapid passage signal is also studied. It is further noted that rapid thermalisation occurs within $v=1$ such that at pressures above c.a. 30 mTorr a broad NO doublet absorption is observed beneath the Bennett peak from which a total population transfer of c.a. $16 \%$ can be estimated. Finally an experiment is discussed in which this population transfer could be increased for use in secondary applications. Chapter 6 then presents initial measurements with two prototype pulsed 3.3 \si{\micro\metre} QCLs considering the prospects of such devices. A Fabry-P\'rot device is first studied using a Fourier transform spectrometer and temperature tuning used to produce a spectrum of the Q-branch of CH$_4$ around 3025 cm$^$. Experiments are then performed using a DFB QCL investigating the chirp rate of the system as an indicator of the rate of heat accumulation within the system. Heat management is of particular consideration when the sea-change is made from pulsed to continuous devices. For this device absorption spectra of two CH$_4$ transitions at 2971 cm$^$ are used to determine the chirp rate, which is found to be c.a. 1.8 GHz ns$^$, at least an order of magnitude higher than that of the longer wavelength pulsed devices considered in Chapter 2.