Nous avons développé un récepteur hétérodyne terahertz (THz) compact et ultra-sensible à base de laser à cascade quantique (QCL) comme oscillateur local et de bolomètre à électron chaud (HEB) comme mélangeur. Le récepteur est basé sur un nouveau concept pour le couplage quasi-optique entre l'oscillateur local et le mélangeur ce qui a permis de ne pas utiliser de lame semi-réfléchissante pour la superposition du signal provenant du QCL et du signal à détecter. Le mélangeur utilisé est un HEB en nitrure de niobium avec une antenne planaire formée d’une double hélice log-spiral. Le HEB est monté sur la partie plane d’une lentille convexe en silicium. L’oscillateur local est un QCL que nous avons développé avec un système de contre-réaction répartie du troisième ordre avec une faible dissipation thermique, un faisceau peu divergent et un fonctionnement mono-mode à la fréquence cible de 2.7 THz. Le couplage entre l’oscillateur local et le mélangeur HEB a également été amélioré en couplant le QCL avec une fibre creuse en diélectrique ce qui a permis d’améliorer la directivité du faisceau laser à 55 dBi. Grâce aux précédents résultats, nous avons obtenu un récepteur THz hétérodyne compact qui présente une sensibilité proche de l’état de l’art à 2.7 THz. / We demonstrate an ultra-compact Terahertz (THz) heterodyne detec- tion system based on a quantum cas- cade laser (QCL) as local oscillator and a hot electron bolometer (HEB) for the mixing. It relies on a new opti- cal coupling scheme where the local oscillator signal is coupled through the air side of the planar HEB an- tenna, while the signal to be de- tected is coupled to the HEB through the lens. This technique allows us to suppress the beam splitter usu- ally employed for heterodyne mea- surements. The mixer is a Niobium Nitride HEB with a log-spiral planar antenna on silicon and mounted on the back of a plano-convex silicon lens. We have developed a low power consumption and low beam di- vergence 3rd-order distributed feed- back laser with single mode emis- sion at the target frequency of 2.7 THz to be used as local oscillator for the heterodyne receiver. The cou- pling between the QC laser and the the HEB has been further optimized, using a dielectric hollow waveguide that reliably increases the laser beam directivity up to 55 dBi. Upon the high beam quality, sufficient output power in a single mode at the tar- geted frequency and low power dissi- pation of our local oscillator, we have build an ultra compact THz hetero- dyne receiver with sensitivity close to the state of the art at 2.7 THz.

Laser spectroscopic techniques have, during the last decades, demonstrated an extraordinary capability for sensitive detection of molecular constituents in gas phase. Since spectra from such techniques constitute unique and characteristic signatures for each type of species, these techniques enable investigations of molecular structures as well as detection of the presence of species in a gas mixture. They are therefore used for a variety of application, from fundamental studies to the assessment of gas concentrations. In fact, quantitative assessments of gas concentrations by laser-based techniques are constantly gaining in popularity, primarily due to properties such as high sensitivity and selectivity and an ability to perform non-invasive measurement. Moreover, investigations of isolated molecular transitions under different conditions provide excellent means to obtain a comprehensive understanding of spectral broadening mechanisms, which is of importance for, for example, environmental sciences and remote sensing applications. In fundamental studies, spectroscopic parameters are often retrieved from fits of a model function of the technique used, which in turn is based upon a suitable lineshape function. In order to obtain parameter values with highest possible accuracy, it is of importance to use the lineshape model that most correctly can predict the measured spectra. Even though the Voigt function is the most commonly used lineshape model when both Doppler and collision broadenings are present, it is not always suitable when spectroscopic parameters are to be assessed with high precision. This thesis represents a thorough investigation of Dicke narrowing and speed-dependent effects, which are phenomena that are not accounted for by the conventional Voigt profile. For the first time, it is demonstrated that both these effects take place not only in absorption but also in the dispersion mode of detection. Their dispersion lineshape functions are first theoretically presumed and explicitly given before they are validated experimentally by the noise-immune cavity-enhanced optical heterodyne molecular spectrometry (NICE-OHMS). By using the models developed, it is also shown that although the two modes of detection, absorption and dispersion, both can provide good quality of fits, they do not always provide identical spectroscopic parameters. A detailed analysis under which conditions they do so, and subsequent recommendations of their use, are presented. It also describes the instrumental implementation of a distributed-feed-back (DFB) laser-based NICE-OHMS instrumentation, which constitutes an important step towards the further development of this technique. Due to the wide tunability of the DFB laser, the setup is capable of extending the working range of NICE-OHMS into the collision broadening region, which, in turn, allows for precise spectroscopic studies. The use of a fiber-coupled DFB laser also provides a compact NICE-OHMS system. The minimum detectable on-resonance absorption was assessed to 2× 10-10 cm-1 for a 70 s integration time.

Des MEMS supraconducteurs ont été développés par l’IRAM pour des besoins instrumentaux dans les récepteurs hétérodyne large bande en millimétrique. Dans ce mémoire, la caractérisation de ces MEMS capacitifs par des mesures profilométriques, vibrométriques, aux rayons X , électriques et thermiques est présentée. Ils ont en outre été modélisés avec un modèle analytique électromécanique simple. Ce modèle est complété par un schéma équivalent haute fréquence semi-distribué facilement implantable dans le simulateur multiphysique COMSOL pour prendre en compte la supraconductivité. Ce travail a permis de déterminer quelles géométries de ces MEMS sont satisfaisantes pour une utilisation dans les récepteurs hétérodyne large bande en hyperfréquence. / Superconducting MEMS were developed by IRAM for millimetre wave heterodyne receivers improvements. In this report, the characterization of these capacitive MEMS is presented (profilometry, vibrometry, X rays, electric and thermal). They were described with a simple analytical electromechanical model which can be easily implemented with an equivalent high frequency circuit in the COMSOL multiphysic software to take into account the superconductivity. This work answers to the question of what are the MEMS geometries well suited for broadband heterodyne receivers requirements.

Les observations astronomiques nous permettent d’étudier l’univers et de comprendre les phénomènes qui le gouvernent. La matière visible dans l’univers émet des ondes à des fréquences très diverses, réparties sur tout le spectre électromagnétique (domaines radio, submillimétrique, infrarouge, visible, ultraviolet, X et gamma). Ces ondes nous renseignent sur certaines caractéristiques physico-chimiques des éléments observés (nature, température, mouvement, etc.). Des télescopes couvrant différentes plages de fréquences sont nécessaires pour observer l’ensemble du spectre électromagnétique. Les radio-télescopes, sensibles aux ondes (sub)millimétriques, sont principalement dédiés à l’observation de la matière froide présente dans le milieu interstellaire. Le milieu interstellaire est le berceau des étoiles et son étude est essentielle pour comprendre les différentes étapes de la vie des étoiles. La fréquence maximale d’observation des radio-télescopes est en augmentation depuis la fabrication des premiers radio-télescopes dans les années 1930. Récemment, des radio-télescopes capables de détecter des signaux dans l’infrarouge lointain, au delà de 1 THz, ont été développés. Ces avancées technologiques ont été motivées, entre autres, par la présence, dans le milieu interstellaire, de molécules et d’ions uniquement observables à des fréquences supérieures à 1 THz. Pour observer des raies avec une haute résolution spectrale, les radio-télescopes sont équipés de récepteurs hétérodynes. Ce type de récepteur permet d’abaisser la fréquence de la raie spectrale observée tout en conservant ses caractéristiques (une raie observée à 1 THz peut, par exemple, être décalée à une fréquence de 1 GHz). Cette technique permet d’observer des raies avec une très haute résolution spectrale et c’est pourquoi les récepteurs hétérodynes sont largement utilisés pour les observations de raies spectrales aux fréquences GHz et THz. Dans les récepteurs hétérodynes, un oscillateur local (OL) émet un signal monochromatique à une fréquence très proche de celle du signal observé. Les deux signaux sont superposés à l’aide d’un diplexeur et transmis à un mélangeur. Ce dernier réalise le battement des deux signaux et génère un signal identique au signal observé mais à une fréquence plus faible. Durant ma thèse, j’ai travaillé sur la construction, la caractérisation et l’amélioration d’un récepteur hétérodyne à 2.6 THz. Cette fréquence d’observation (2.6 THz) est l’une des plus hautes atteintes par les récepteurs hétérodynes THz existant actuellement, ce qui constitue un défi technologique très important. Dans le but de caractériser et d’améliorer ce récepteur, je me suis concentré sur trois aspects essentiels ..... / (Sub)Millimeter-telescopes are often used to observe the interstellar medium in the universe and they enable us to study the stellar life cycle. To detect and study some important molecules and ions, we need receivers able to observe at frequencies above 1 THz. Receivers working at such high frequencies are quite new and the 2.6 THz heterodyne receiver I built and characterized during my PhD represents the state-of-the-art of THz heterodyne receivers. I especially focused on three important aspects of this receiver: its stability, the superimposition of the local oscillator signal (LO) and the observed signal by a diplexer, and the splitting of the LO signal by a phase grating. The stability was calculated with the Allan variance and I found that the two elements limiting the stability of our receiver were the 1.4 THz local oscillator and the mixer bias supply. The Martin-Puplett interferometer (MPI) diplexer I designed, built and tested is able to transmit 76 % of the LO power at 2.6 THz and we estimate a transmittance around 79 % for the observed signal. This MPI is operational and ready for the next generation of heterodyne receivers. Splitting the LO signal is essential to build heterodyne receivers with several pixels, which allows us to get spectra of the universe at many positions in the sky simultaneously. I have developed a new kind of grating, called Global gratings, and I made two prototypes of these Global phase gratings able to split the LO beam into four beams. These two phase grating prototypes, a transmissive and a reflective one, were optimized for 610 GHz and showed, respectively, an efficiency of 62 ± 2 % and 76 ± 2 %. These excellent results validate the design and fabrication processes of this new kind of grating. In conclusion, the work accomplished during this PhD constitutes an important step toward the realization of a very stable and highly sensitive 2.6 THz multi-pixel heterodyne receiver using a MPI diplexer.

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En plus de 40 ans d’existence, la spectroscopie de Fourier, basée sur l’interféromètre de Michelson,a permis des progrès considérables dans notre connaissance de la structure des atomes et des molécules s’imposant peu à peu comme un outil de base pour le diagnostic optique. Aujourd’hui, dépasser ses performances en terme de limite de résolution, rapidité, sensibilité et exactitude permettrait de répondre à de nouveaux enjeux. Cette thèse porte sur le développement expérimental de la spectroscopie de Fourier par peignes de fréquences femtosecondes. Deux peignes de fréquences, lasers composés de centaines de milliers de raies fines dont la position est parfaitement contrôlée, sondent l’échantillon et la transformation de Fourier de leurs interférences temporelles fournit le spectre. Trois dispositifs basés sur des lasers femtosecondes à fibres dopées (à 1 μm et 1.5 μm) ou à solides (à 2.4 μm) illustrent les performances de la méthode. Par comparaison à la spectroscopie de Fourier traditionnelle, les temps de mesure ont été réduits de la seconde à la microseconde, pour des spectres de molécules en phase gazeuse couvrant une centaine de nanomètres à des limites de résolution du GHz. La sensibilité atteint celle des spectromètres par laser accordable les plus performants grâce à des méthodes de détection différentielle ou d’utilisation de cavités multipassages ou résonnantes. Augmenter le temps de mesure et résoudre les raies individuelles du peigne permet une spectroscopie de précision à large bande spectrale, car la fréquence absolue de chaque raie de peigne peut être connue avec l’exactitude d’une horloge atomique. / For four decades, Fourier transform spectroscopy has greatly improved our atomes and molecules structures knowledges, and thus became a widely used tool for optical diagnosis. However, today it is useful to overcome some of its limitations in order to address new challenges. This thesis is about experimental developpement concerning frequency comb fourier transform spectroscopy. Two frequency combs, made of thousands of very narrow frequency lines perfectly known and controlled, are probing an absorbing sample. The fourier transform of their temporal interference pattern provides the optical spectrum. Three devices based on fiber doped lasers (emitting at 1μm and 1.5 μm) and solid lasers (at 2.4 μm) are used to demonstrate the method advantages. Compared to traditional Fourier transform spectroscopy the recording time has shrunk by one million for the acquisition of spectra spreading on a hundred of nanometers at GHz resolution. Using multipass cells of differential detection devices, the sensitivity reached is comparable to that provided by the most efficient laser based methods. Increasing the resolution allows for clear observation of the comb individual tooth which position can be measured with the accuracy of an atomic clock, providing thus a simple and accurate method for auto calibrated spectra.

Ce travail de thèse porte sur la conception et la réalisation de méta-structures pour l’amelioration des performances de détecteurs dans les gammes spectrales du moyen infrarouge et du térahertz (THz). Ces méta-structures sont des matrices de résonateurs métalliques qui actent aussi comme antennes, permettant une meilleure collection des photons et un plus fort confinement du champ électrique. Dans ce manuscrit, j’examine les résultats expérimentaux concernant deux photo-detecteurs infrarouges à puits quantiques (QWIP) résonants à une longueur d'onde de 55.5 µm (5.4 THz) et de 8.6 µm, implémentés dans des réseaux d’antennes patch. La responsivité, la détectivité et les performances thermiques des dispositifs en microcavité sont systématiquement comparées au même détecteur fabriqué en géométrie standard ‘mesa’, pour lequel le rayonnement infrarouge est couplé par le substrat. La cohérence du modèle est évaluée en comparant le gain photoconducteur de chaque structure QWIP. Dans le moyen infrarouge, le fonctionnement à température ambiante avec une source de radiation thermique est démontré pour la première fois. De plus, en exploitant la courte durée de vie des porteurs dans la zone de QWIP, une détection hétérodyne à température ambiante a été démontrée jusqu’aux fréquences de quelques GHz, limitée uniquement par la fréquence de coupure du circuit externe. Dans la dernière partie de ce manuscrit, plusieurs perspectives sont discutées concernant des structures de détecteurs quantiques couplés à la géométrie de résonateurs patch et des architectures inspirées des métamateriaux, avec la perspective d’améliorer davantage les performances des photodétécteurs / The present thesis manuscript is about the conception and the realisation of metastructures for the improvement of detector performances in the mid-infrared and terahertz (THz) spectral ranges. These meta-structures are arrays of metal resonators that also act as antennas, allowing a better collection of photons and a stronger confinement of the electric field. In this manuscript, I examine the experimental results regarding a 55.5 µm (5.4 THz) and a 8.6 µm quantum well infrared photodetectors (QWIP), implemented into patch-antennae arrays. The responsivity, the specific detectivity and the thermal performances of the antenna-coupled devices are systematically compared to the same detector processed in standard substrate-coupled ‘mesa’ geometry. In the mid-infrared, the room temperature operation using a thermal radiation source is reported for the first time. Moreover, exploiting the short carrier lifetime in semiconductor quantum wells, a room temperature heterodyne detection is demonstrated, at frequencies up to few GHz, limited only by the cut-off frequency of the external circuit. In the last part of this work, several perspectives are discussed, regarding alternative quantum detector structures coupled to the patch resonators geometry and innovative circuit-like plasmonic architectures, envisioning orders of magnitude improvement in photodetector performances

This document describes the design and deployment of a first generation water vapor density sensing unit, the HumiSense. This device is based on an open, air-filled capacitor which is part of a resonant circuit. The frequency of the resonant circuit mixed with a fixed frequency oscillator is the basis of the method to generate a signal that is associated to the change in water vapor density within the open capacitor with time. The physical testing results were inconclusive given that there were many unresolved artifacts in the data. Several suggestions for improving the device for future device generations were provided. / Graduation date: 2013

An optical cavity comprises a set of mirrors between which light can be reflected a number of times. The selectivity and stability of optical cavities make them extremely useful as frequency references or discri­mi­nators. With light coupled into the cavity, a sample placed inside a cavity will experience a significantly increased interaction length. Hence, they can be used also as amplifiers for sensing purposes. In the field of laser spectroscopy, some of the most sensitive techniques are therefore built upon optical cavities. In this work optical cavities are used to measure properties of gas samples, i.e. absorption, dispersion, and refractivity, with unprecedented precision. The most sensitive detection technique of all, Doppler-broadened noise-immune cavity enhanced optical heterodyne molecular spectrometry (Db NICE-OHMS), has in this work been developed to an ultra-sensitive spectroscopic technique with unprecedented detection sensitivity. By identifying limiting factors, realizing new experimental setups, and deter­mining optimal detection conditions, the sensitivity of the technique has been improved several orders of magnitude, from 8 × 10-11 to 9 × 10-14 cm-1. The pressure interval in which NICE-OHMS can be applied has been extended by deri­vation and verification of dispersions equations for so-called Dicke narrowing and speed dependent broadening effects. The theoretical description of NICE-OHMS has been expanded through the development of a formalism that can be applied to the situations when the cavity absorption cannot be considered to be small, which has expanded the dynamic range of the technique. In order to enable analysis of a large number of molecules at their most sensitive transitions (mainly their funda­mental CH vibrational transitions) NICE-OHMS instrumentation has also been developed for measurements in the mid-infrared (MIR) region. While it has been difficult to realize this in the past due to a lack of optical modulators in the MIR range, the system has been based on an optical para­metric oscillator, which can be modulated in the near-infrared (NIR) range. As the index of refraction can be related to density, it is possible to retrieve gas density from measurements of the index of refraction. Two such instru­men­tations have been realized. The first one is based on a laser locked to a measure­ment cavity whose frequency is measured by compassion with an optical frequency comb. The second one is based on two lasers locked to a dual-cavity (i.e. one reference and one measurement cavity). By these methods changes in gas density down to 1 × 10-9 kg/m3 can be detected. All instrumentations presented in this work have pushed forward the limits of what previously has been considered measurable. The knowledge acquired will be of great use for future ultrasensitive cavity-based detection methods.

Dans le contexte d’une population vieillissante il est primordial de développer des outils de diagnostic cliniques précis, fiables, peu coûteux et faciles à mettre en place. Durant cette thèse j’ai en particulier cherché à réaliser une cartographie dynamique des vaisseaux sanguins dans le but de permettre de détecter à la fois des cancers et des maladies cardiovasculaires, deux des maladies les plus mortelles. Pour avoir un diagnostic efficace on se doit d’imager en profondeur avec une résolution spatiale et temporelle la meilleure possible. Dans le chapitre 0 j’explique les enjeux de l’imagerie médicale sur la micro-vascularisation en analysant les avantages et inconvénients de plusieurs types d’imageries médicales. Dans le chapitre 1 je développe en détail l’imagerie photo-acoustique, qui s’est avérée être la plus appropriée à notre application. Elle a l’avantage d’avoir un contraste optique et une résolution acoustique. J’utilise en particulier la photo-acoustique fréquentielle qui est peu onéreuse et peu encombrante, donc facilement intégrable dans le monde hospitalier par rapport à une imagerie photo-acoustique « classique ». Je valide cette partie sur des résultats expérimentaux in-vivo sur des oreilles de souris. Dans le chapitre 2 j’ai cherché à détecter le signal photo-acoustique de façon optique qui a pour avantage d’être sans contact donc sans souci d’encombrement entre « excitation optique » et « détection acoustique ». Je développe le traitement du signal nécessaire pour détecter une onde acoustique, i.e. des vibrations, à l’aide d’un interféromètre. Puis je présente dans le chapitre 3 un interféromètre particulier développé au laboratoire : le Laser Optical Feedback Imaging (LOFI). Il permet de s’affranchir du bruit du détecteur donc il permet de détecter des vibrations de petites amplitudes même sur des surfaces peu réfléchissantes comme la peau et cela même à faible puissance par respect des normes médicales. Dans le chapitre 4 je valide la détection du signal photo-acoustique avec notre détection optique. Enfin dans le chapitre 5 je montre à travers des simulations une technique d’imagerie innovante plein champ qui permettrait de détecter plus rapidement un signal photo-acoustique riche spectralement. / In the context of an aging population, it is essential to develop clinical diagnostic tools that are accurate, reliable, inexpensive and easy to implement. During this thesis I particularly sought to perform a dynamic mapping of blood vessels in order to detect both cancers and cardiovascular diseases, two of the most deadly diseases. In order to have an effective diagnosis, it is necessary to image in depth with the best possible spatial and temporal resolution. In chapter 0 I explain the challenges of medical imaging on micro-vascularization by analyzing the advantages and disadvantages of several types of medical imaging. In chapter 1 I develop in detail the photo-acoustic imaging, which proved to be the most appropriate for our application. It has the advantage of optical contrast and acoustic resolution. In particular, I use frequency photo-acoustics, which is inexpensive and space-saving, and can therefore be easily integrated in the hospital world compared to "traditional" photo-acoustic imaging. I validate this part on in-vivo experimental results on mouse ears. In chapter 2 I tried to detect the photo-acoustic signal in an optical way which has the advantage of being contactless and therefore without any problem of clutter between "optical excitation" and "acoustic detection". I develop the signal processing necessary to detect an acoustic wave, i.e. vibrations, using an interferometer. Then I present in chapter 3 a particular interferometer developed in the laboratory: the Laser Optical Feedback Imaging (LOFI). This interferometer allows to be limited to photon noise even with a low intensity thus it makes it possible to detect vibrations of small amplitudes even on surfaces with a low reflecting index like the skin in accordance with medical standards. In chapter 4 I validate the detection of the photo-acoustic signal with our optical detection. Finally in chapter 5 I show with simulations an innovative full field imaging technique that would allow faster detection of a spectrally rich photo-acoustic signal.