La génération d'onde THz de grande pureté spectrale par photomélange est une technique très prometteuse afin de réaliser des oscillateurs locaux THz performants. Nous avons donc proposé une approche originale consistant à associer un laser bi-fréquence émettant autour de 1 µm à un photomélangeur de bande interdite compatible. Le choix de cette longueur d'onde permet la réalisation de lasers pompés diodes compacts et peu onéreux ainsi que l'utilisation de photoconducteurs présentant les propriétés électriques requises. <br />Ainsi, nous avons développé 2 lasers bi-fréquence amplifiés utilisant des milieux actifs (KGW et CaF2) dopés Yb dont l'utilisation permet de générer des puissances optiques supérieurs à 1 W ainsi qu'un signal de battement électrique continu de bonne pureté spectrale (<30 kHz).<br />Nous avons ensuite étudié et caractérisé 2 matériaux photoconducteurs compatibles avec une illumination à 1 µm : l'InGaAsN et l'In.23Ga.77As-BT épitaxié à basse température (BT) sur substrat métamorphique et dopé Be. Les propriétés de ces deux matériaux ont été étudiées et comparées avec celles du GaAs-BT.<br />Après avoir modélisé le fonctionnement de photomélangeurs (en prenant en compte la participation des trous) nous avons effectué des expériences de photomélange : nous avons détecté un signal de quelques dizaines de nW dont la fréquence a pu être accordée jusqu'à 2 THz.<br />Enfin, nous avons proposé un nouveau type de photomélangeur guide vertical. Les modélisations ont montré que la puissance THz émise (0,2 mW à 1 THz), l'accordabilité (0-3 THz) et la pureté spectrale du signal généré (< 30 KHz) de cette source devraient en faire une des plus attractive dans cette gamme de fréquence.

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Les lasers à cascade quantique (LCQ) sont des nanostructures de semiconducteurs se basant sur des transitions intersousbandes entre états confinés de la bande de conduction. Ils ont permis de combler un manque de sources puissantes et compactes d'abord dans le moyen infrarouge (MIR) puis dans le térahertz (THz). Cette thèse présente deux études en rapport avec ces lasers. La première partie présente les propriétés d'optique non-linéaire résonantes des LCQ. Il s'agit de démontrer la génération de différence de fréquences entre un faisceau proche infrarouge (IR) et le champ THz du LCQ. L'excitation proche IR est résonante avec les transitions interbandes des puits quantiques qui composent le LCQ. Ceci exalte la susceptibilité non-linéaire du milieu. Le champ THz intense dans la cavité combiné à cette excitation résonante permet d'obtenir de bonnes efficacités (jusqu'à 0.13%) et de générer des harmoniques supérieures jusqu'à l'ordre 3. Ces interactions non-linéaires ont également été étudiées dans les LCQ MIR ce qui a permis d'augmenter la température de fonctionnement jusqu'à 275 K. Une deuxième partie traite du contrôle de la phase du champ THz d'un LCQ au moyen d'un montage de spectroscopie THz dans le domaine temporel. L'originalité résulte dans l'usage d'un LCQ ayant un guide double métal. Ces guides permettent d'avoir de meilleures performances en température mais ont des dimensions largement sous longueur d'onde. Ces dimensions compliquent le couplage d'une onde THz externe nécessaire à l'amorçage du champ THz du LCQ sur une phase fixe. Des antennes en forme de V sont déposées à la surface du LCQ pour faire une adaptation d'impédance et favoriser ainsi le couplage.

Currently, the concept of multipurpose spacecrafts is being transformed into many small spacecrafts each of them performing specific tasks and thus leading to the realization of pico and nano satellites. No matter what is the application or size, demand for more number of IR channels for earth observation is ever increasing which necessitates significant reduction in the mass, power requirement and cost of the IR detectors. In this scenario, several order of magnitude mass and power savings associated with uncooled IR arrays are advantageous compared to cooled photon detectors. However the poor speed of response of uncooled microbolometer array devices obstruct the total replacement of cooled detectors in thermal imaging applications. This is especially true when the mission requires 50 m to 100 m ground resolution, in which even the "fastest" micro bolometer arrays turns "too slow" to follow the ground trace when looked from low earth orbit (LEO). Hence there is a great and unfulfilled requirement of faster uncooled detector arrays for meeting the demand for future micro and mini satellite projects for advanced missions. The present thesis describes the systematic studies carried out in development of high performance IR and THz detectors for space applications. Ge-Si-O thin films are prepared by ion beam sputtering technique with argon (Ar) alone and argon and oxygen as sputtering species, using sputtering targets of different compositions of Ge and SiO2. The deposited thin films are amorphous in nature and have chemical compositions close to that of the target. The study of electrical properties has shown that the activation energy and hence the thermistor constant (β) and electrical resistivity (ρ) are sensitive to oxygen flow rate, and they are the least for thin films prepared with Ar alone as the sputtering species. Different thermal isolation structures (TIS), consisting of silicon nitride (Si3N4) membrane of different thicknesses, Ge-Si-O thin film and, chromium coating on the rear side of the membrane, are prepared by bulk micro-machining technique, whose thermal conductance (Gth) properties are evaluated from the experimentally determined current-voltage (I-V) characteristics. Gth shows non-linear dependence with respect to raise in temperature of thin film thermistor due to Joule heating. The infrared micro-bolometer detectors, fabricated using one of the TIS structures have shown responsivity (<v) close to 115 V W−1 at a bias voltage of 1.5 V and chopping frequency of 10 Hz, thermal time constant (τth) of 2.5 ms and noise voltage of 255 nV Hz−1⁄2 against the corresponding thermal properties of Gth and thermal capacitance Cth equal to 9.0 × 10−5 W K−1 and 1.95 × 10−7 J K−1 respectively. The detectors are found to have uniform spectral response in the infrared region from 2 µm to 20 µm, and NEDT in the range from 108 mK to 574 mK when used with an F/1 optical system. The detector, in an infrared earth sensor system, is tested before an extended black body which simulates the earth disc in the laboratory and the results are discussed. As an extension of the single element detector to array device, design of a microbolometer array for earth sensor dispensing of scanning mechanisms is presented. It makes use of four microbolometer arrays with in-line staggered configuration that stare at the earth horizons, perceiving IR radiation in the spectral band of 14 µm to 16 µm. Design of the microbolometer has been carried out keeping in mind low power, lightweight, without compromising on the performance. An array configuration of 16 × 2 pixels is designed and developed for this purpose. Finite elemental analysis is carried out for design optimization to yield best thermal properties and thus high performance of the detectors. Suitable optical design configuration was arrived to image the earth horizon on to array. Using this optimum design, prototype arrays have been fabricated, packaged and tested in front of the black body radiation source and found to have Responsivity, NEP, and D∗ of 120 V W−1, 5.0 W Hz−1⁄2, 1.10 × 107 cm Hz1⁄2 W−1 respectively. The pixels show a uniform response within a spread of ±6 % and the pixel resistances are within a range of ±5 %. Optically Immersed Bolometer IR detectors are fabricated using electron beam evaporated Vanadium Oxide as the sensing material. Spin coated polyimide is used as medium to optically immerse the sensing element to the flat surface of a hemispherical germanium lens. This optical immersion layer also serves as the thermal impedance control layer and decides the performance of the devices in terms of responsivity and noise parameters. The devices have been packaged in suitable electro-optical packages and the detector parameters are studied in detail. Thermal time constant varies from 0.57 ms to 6.1 ms and responsivity from 75VW−1 to 757VW−1 corresponding to polyimide thickness in the range 2.0 μm to 70 μm for a detector bias of 9V. Highest D obtained was 1.28 × 108 cm Hz1⁄2W−1. Noise Equivalent Temperature Difference (NETD) of 20mK is achieved for devices with polyimide thickness of 32 μm, whereas the NETD × th product is the lowest for devices with moderate thickness of thermal impedance layer. Bolometric THz detectors were fabricated using V2O5 as sensing element immersed onto germanium hemispherical lens using polyimide as immersion media. These detectors were characterized for their efficiency in detection of THz radiation in the range 10 THz to 35 THz emitted by a black body radiator. The responsivity of the devices determined in four different frequency bands covering the spectrum of interest and a maximum responsivity of 398VW−1 was observed. A variation in the responsivity is observed which is due to the characteristics absorption of polyimide in the THz region of interest and can be avoided by replacing with HDPE which has less attenuation. NEP of 6.8 × 10−10WHz−1⁄2 was observed which is very close to the state of art in the case of uncooled detectors which entitles the detectors for spectroscopic applications. Specific Detectivity D* was observed to be much higher than the conventional detectors thanks to the benefits of immersion. NETD of 26mK was observed which is advantageous of application of these detectors in imaging applications These studies have lead to development of a new technology for fabrication of high performance IR and THz detectors which can be used for spectroscopic and imaging applications. Further, this technology can be scaled for development of linear and area arrays finding applications where the speed of respnose as well as sensitivity are of equal importance. from 0.57 ms to 6.1 ms and responsivity from 75 V W−1 to 757 V W−1 corresponding to polyimide thickness in the range 2.0 µm to 70 µm for a detector bias of 9 V. Highest D∗ obtained was 1.28 × 108 cm Hz1⁄2 W−1. Noise Equivalent Temperature Difference (NETD) of 20 mK is achieved for devices with polyimide thickness of 32 µm, whereas the NETD × τth product is the lowest for devices with moderate thickness of thermal impedance layer. Bolometric THz detectors were fabricated using V2O5 as sensing element immersed onto germanium hemispherical lens using polyimide as immersion media. These detectors were characterized for their efficiency in detection of THz radiation in the range 10 THz to 35 THz emitted by a black body radiator. The responsivity of the devices determined in four different frequency bands covering the spectrum of interest and a maximum responsivity of 398 V W−1 was observed. A variation in the responsivity is observed which is due to the characteristics absorption of polyimide in the THz region of interest and can be avoided by replacing with HDPE which has less attenuation. NEP of 6.8 × 10−10 W Hz−1⁄2 was observed which is very close to the state of art in the case of uncooled detectors which entitles the detectors for spectroscopic applications. Specific Detectivity D* was observed to be much higher than the conventional detectors thanks to the benefits of immersion. NETD of 26 mK was observed which is advantageous of application of these detectors in imaging applications These studies have lead to development of a new technology for fabrication of high performance IR and THz detectors which can be used for spectroscopic and imaging applications. Further, this technology can be scaled for development of linear and area arrays finding applications where the speed of respnose as well as sensitivity are of equal importance.

Yes / This paper presents a novel on-chip antenna using standard CMOS-technology based on metasurface implemented on two-layers polyimide substrates with a thickness of 500 μm. The aluminium ground-plane with thickness of 3 μm is sandwiched between the two-layers. Concentric dielectric-rings are etched in the ground-plane under the radiation patches implemented on the top-layer. The radiation patches comprise concentric metal-rings that are arranged in a 3 × 3 matrix. The antennas are excited by coupling electromagnetic energy through the gaps of the concentric dielectric-rings in the ground-plane using a microstrip feedline created on the bottom polyimide-layer. The open-ended feedline is split in three-branches that are aligned under the radiation elements to couple the maximum energy. In this structure, the concentric metal-rings essentially act as series left-handed capacitances CL that extend the effective aperture area of the antenna without affecting its dimensions, and the concentric dielectric rings etched in the ground-plane act as shunt left-handed inductors LL, which suppress the surface-waves and reduce the substrates losses that leads to improved bandwidth and radiation properties. The overall structure behaves like a metasurface that is shown to exhibit a very large bandwidth of 0.350–0.385 THz with an average radiation gain and efficiency of 8.15dBi and 65.71%, respectively. It has dimensions of 6 × 6 × 1 mm3 that makes it suitable for on-chip implementation. / This work is partially supported by RTI2018-095499-B-C31, Funded by Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, Gobierno de España (MCIU/AEI/FEDER,UE), and innovation programme under grant agreement H2020-MSCA-ITN-2016 SECRET-722424 and the fnancial support from the UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) under grant EP/E022936/1. / Research Development Fund Publication Prize Award winner, March 2020

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich in Experiment und Theorie mit Laser-Plasma beschleunigten Elektronen und optischen Undulatoren zur Erzeugung von brillianter Synchrotronstrahlung. Zum ersten Mal wird experimentell nachgewießen, dass laserbeschleunigte Elektronenpulse kürzer als 30 fs sind. Ferner werden solche Elektronenpulse erstmalig in einem Demonstrationsexperiment durch einen magnetischen Undulator als Synchrotronstrahlenquelle genutzt. Aufbauend auf diesen experimentellen Erkenntnissen, sowie umfangreichen numerischen Simulationen zur Thomsonstreuung, werden die theoretischen Grundlagen einer neuartigen Interaktionsgeometrie für Laser-Materie Wechselwirkungen entwickelt. Diese neue, in der Anwendbarkeit sehr allgemeine Methode basiert auf raum-zeitlicher Laserpulsformung durch nichtlineare Winkeldispersion wie diese durch VLS- (varied-line spacing) Gitter erzeugt werden kann und hat den Vorteil nicht durch die Fokussierbarkeit des Lasers (Rayleighlänge) begrenzt zu sein. Zusammen mit laserbeschleunigten Elektronen ermöglicht dieser traveling-wave Thomson scattering (TWTS) benannte Ansatz neuartige, nur auf optischer Technologie basierende Synchrotronstrahlenquellen mit Zentimeter bis Meter langen optische Undulatoren. Die hierbei mit existierenden Lasern erzielbaren Brillianzen übersteigen diese bestehender Thomsonquellen-Designs um 2-3 Größenordnungen. Die hier vorgestellten Ergebnisse weisen weit über die Grenzen der vorliegenden Arbeit hinaus. Die Möglichkeit Laser als Teilchenbeschleuniger und auch optischen Undulator zu verwenden führt zu bauartbedingt sehr kompakten und energieeffizienten Synchrotronstrahlungsquellen. Die hieraus resultierende monochromatische Strahlung hoher Brillianz in einem Wellenlängenbereich von extremen ultraviolett (EUV) zu harten Röntgenstrahlen ist für die Grundlagenforschung, medizinische Anwendungen, Material- und Lebenswissenschaften von fundamentaler Bedeutung und wird maßgeblich zu einer neuen Generation ultrakurzer Strahlungsquellen und freien Elektronenlasern (FELs) beitragen. / This thesis investigates the use of high-power lasers for synchrotron radiation sources with high brilliance, from the EUV to the hard X-ray spectral range. Hereby lasers accelerate electrons by laser-wakefield acceleration (LWFA), act as optical undulators, or both. Experimental evidence shows for the first time that LWFA electron bunches are shorter than the driving laser and have a length scale comparable to the plasma wavelength. Furthermore, a first proof of principle experiment demonstrates that LWFA electrons can be exploited to generate undulator radiation. Building upon these experimental findings, as well as extensive numerical simulations of Thomson scattering, the theoretical foundations of a novel interaction geometry for laser-matter interaction are developed. This new method is very general and when tailored towards relativistically moving targets not being limited by the focusability (Rayleigh length) of the laser, while it does not require a waveguide. In a theoretical investigation of Thomson scattering, the optical analogue of undulator radiation, the limits of Thomson sources in scaling towards higher peak brilliances are highlighted. This leads to a novel method for generating brilliant, highly tunable X-ray sources, which is highly energy efficient by circumventing the laser Rayleigh limit through a novel traveling-wave Thomson scattering (TWTS) geometry. This new method suggests increases in X-ray photon yields of 2-3 orders of magnitudes using existing lasers and a way towards efficient, optical undulators to drive a free-electron laser. The results presented here extend far beyond the scope of this work. The possibility to use lasers as particle accelerators, as well as optical undulators, leads to very compact and energy efficient synchrotron sources. The resulting monoenergetic radiation of high brilliance in a range from extreme ultraviolet (EUV) to hard X-ray radiation is of fundamental importance for basic research, medical applications, material and life sciences and is going to significantly contribute to a new generation of radiation sources and free-electron lasers (FELs).

Nous explorons quelques aspects nouveaux des lasers solides impulsionnels ou continus fonctionnant en régimes mono-fréquence ou bi-fréquence. <br /> Tout d'abord, nous avons mis au point quelques techniques pour optimiser les caractéristiques des lasers impulsionnnels. (i) Une faible modulation de la puissance de pompe a permis de rendre stable le taux de répétition avec une stabilité relative de 10-6. (ii) La durée des impulsions a été contrôlée continûment d'une dizaine de ns à quelques centaines de ns par trois méthodes différentes : l'ajustement du diamètre du faisceau laser dans l'absorbant saturable, l'ajustement du diamètre du faisceau de pompe dans le milieu actif, et, en particulier, l'utilisation des états fourchus dans un laser à deux axes. De plus, cette méthode des états fourchus a aussi permis (iii) d'augmenter l'énergie des impulsions par addition cohérente.<br /> Un laser tout compact Nd:YAG-Cr:YAG à deux fréquences dont la différence est continûment accordable jusqu'à 2,7 GHz a été construit. Les impulsions bi-fréquences sont idéales pour répondre aux besoins des applications telles que le lidar-radar Doppler. En outre, nous montrons que les impulsions bi-fréquences à 1,55 μm peuvent être obtenues en utilisant un nouvel absorbant saturable Co:ASL taillé suivant l'axe c dans un laser Er-Yb:verre. Ces impulsions sont parfaitement adaptées aux systèmes de détection en espace libre nécessitant la sécurité oculaire. Le temps de cohérence du battement dans ces lasers a aussi été étudié : il est limité à la durée de l'impulsion. Une nouvelle technique de modulation de la puissance de pompe au voisinage de la fréquence d'oscillation de relaxation du laser a été étudiée et a permis d'obtenir des battements cohérents d'impulsion à impulsion.<br /> La conversion de fréquence utilisant des effets optiques non linéaires a permis d'obtenir des sources bi-fréquences dans le visible. Des impulsions bi-fréquences vertes et rouges ont été obtenues. Une source THz dans le rouge a aussi été réalisée en utilisant un laser à deux axes Er-Yb:verre doublé dans un cristal mixte “en éventail” de PPLN. Les applications à la génération de micro-ondes et d'ondes sub-millimétriques sont discutées.

L'objectif de cette thèse était d'appliquer des méthodes d'analyse multivariées au traitement des données provenant de la spectroscopie de plasma induit par laser (LIBS) et de la spectroscopie térahertz (THz) dans le but d'accroître les performances analytiques de ces techniques.Les spectres LIBS provenaient de campagnes de mesures directes sur différents sites géologiques. Une approche univariée n'a pas été envisageable à cause d'importants effets de matrices et c'est pour cela qu'on a analysé les données provenant des spectres LIBS par réseaux de neurones artificiels (ANN). Cela a permis de quantifier plusieurs éléments mineurs et majeurs dans les échantillons de sol avec un écart relatif de prédiction inférieur à 20% par rapport aux valeurs de référence, jugé acceptable pour des analyses sur site. Dans certains cas, il a cependant été nécessaire de prendre en compte plusieurs modèles ANN, d'une part pour classer les échantillons de sol en fonction d'un seuil de concentration et de la nature de leur matrice, et d'autre part pour prédire la concentration d'un analyte. Cette approche globale a été démontrée avec succès dans le cas particulier de l'analyse du plomb pour un échantillon de sol inconnu. Enfin, le développement d'un outil de traitement par ANN a fait l'objet d'un transfert industriel.Dans un second temps, nous avons traité des spectres d'absorbance terahertz. Ce spectres provenaient de mesures d'absorbance sur des mélanges ternaires de Fructose-Lactose-acide citrique liés par du polyéthylène et préparés sous forme de pastilles. Une analyse semi-quantitative a été réalisée avec succès par analyse en composantes principales (ACP). Puis les méthodes quantitatives de régression par moindres carrés partiels (PLS) et de réseaux de neurons artificiels (ANN) ont permis de prédire les concentrations de chaque constituant de l'échantillon avec une valeur d'erreur quadratique moyenne inférieure à 0.95 %. Pour chaque méthode de traitement, le choix des données d'entrée et la validation de la méthode ont été discutés en détail.

In this thesis, superconducting nanostructures for quantum detection of electromagnetic radiation are studied. In this regard, electrodynamics of topological excitations in 1D superconducting nanowires and 2D superconducting nanostrips is investigated. Topological excitations in superconducting nanowires and nanostrips lead to crucial deviation from the bulk properties. In 1D superconductors, topological excitations are phase slippages of the order parameter in which the magnitude of the order parameter locally drops to zero and the phase jumps by integer multiple of 2\pi. We investigate the effect of high-frequency field on 1D superconducting nanowires and derive the complex conductivity. Our study reveals that the rate of the quantum phase slips (QPSs) is exponentially enhanced under high-frequency irradiation. Based on this finding, we propose an energy-resolving terahertz radiation detector using superconducting nanowires. In superconducting nanostrips, topological fluctuations are the magnetic vortices. The motion of magnetic vortices result in dissipative processes that limit the efficiency of devices using superconducting nanostrips. It will be shown that in a multi-layer structure, the potential barrier for vortices to penetrate inside the structure is elevated. This results in significant reduction in dissipative process. In superconducting nanowire single photon detectors (SNSPDs), vortex motion results in dark counts and reduction of the critical current which results in low efficiency in these detectors. Based on this finding, we show that a multi-layer SNSPD is capable of approaching characteristics of an ideal single photon detector in terms of the dark count and quantum efficiency. It is shown that in a multi-layer SNSPD the photon coupling efficiency is dramatically enhanced due to the increase in the optical path of the incident photon.