Field-Resolved Detection of Terahertz Pulses Based on a Four-Wave Mixing Nonlinearity

Le développement intense que la technologie térahertz (THz) a connu au cours des dernières décennies a donné accès à de multiples techniques pour générer et détecter ces champs à basse fréquence. Un tel progrès est le résultat d’un effort considérable des chercheurs, encouragés par les nombreuses signatures spectrales moléculaires trouvées dans cette gamme et par la faible énergie portée par ces photons; caractéristiques qui sont exploitées dans diverses applications telles que la spectroscopie en domaine temporel, l’imagerie, les inspections non destructifs, etc. Outre l’échantillonnage électro-optique (EOS), une des stratégies les plus diffuses pour détecter de manière cohérente les champs THz, une autre approche a attiré de plus en plus d’attention ces derniers temps et consiste en la détection homodyne d’un signal défini terahertz-field-induced second-harmonic (TFISH ). Contrairement à l’EOS, dont les spectres correspondants sont déformés en raison des interactions avec les phonons dans les cristaux, la détection basée sur TFISH n’est pas affecté par ce problème et le mélange avec un champ d’oscillateur local (LO) externe offre la possibilité de combler potentiellement l’écart entre détection THz classique et quantique, en donnant accès aux deux quadratures du champ électromagnétique. L’objectif principal de ce travail était de concevoir, assembler et optimiser une configuration optique pour la détection résolue en champ des impulsions THz basée sur le processus TFISH dans des materiaux à l’état solide. Après avoir été générés via rectification optique (OR), une non-linéarité d’ordre deux, stimulée par une source laser à 1550 nm émettant des impulsions de 50 fs, les impulsions THz ont d’abord été caractérisés via EOS pour assurer un processus performant de génération et faciliter la réussite de la preuve-de-principe de détection du signal TFISH. Pour une détection efficace, il était nécessaire d’affiner les optiques de focalisation et de collimation et de sélectionner les matériaux appropriés pour le processus TFISH au travers des simulations numériques des conditions d’adaptation de phase. La détection des ces champs à basse fréquence, générés via OR dans un substrat de ZnTe de 500 µm d’épaisseur, a été réalisée via un mélange linéaire du signal TFISH et un biais de seconde-harmonique, avec un bon rapport signal sur bruit (SNR de 25 avec un temps d’intégration de 500 ms pour chaque point de données) et incluant des composantes spectrales comprises principalement entre 0,5 et 2,5 THz, comparables à la bande passante obtenue avec la méthode EOS.