Combinaison de faisceaux de lasers térahertz haute puissance avec réseaux métasurfaces semi-conducteurs

Lumière plus nette pour voir l’invisible

Les ondes térahertz se situent entre les micro-ondes et l’infrarouge ; elles peuvent traverser vêtements, plastiques et couches de peinture sans les effets nocifs des rayons X. Les scientifiques souhaitent disposer de lasers térahertz intenses et accordables pour analyser avec précision des produits chimiques, des médicaments et des biomolécules, mais les sources compactes actuelles ne sont soit pas assez puissantes, soit difficiles à accorder. Cet article montre comment combiner les faisceaux de plusieurs lasers térahertz puissants sur une puce unique en un faisceau unique, bien dirigé et pilotable, à l’aide de structures minuscules et patternées appelées métasurfaces.

Pourquoi plusieurs faisceaux valent mieux qu’un seul

Un seul laser à cascade quantique térahertz peut déjà fournir une puissance impressionnante, mais il émet en général à une seule couleur, c’est‑à‑dire une seule fréquence. Pour des applications comme la spectroscopie — identifier des substances par leur absorption de la lumière — il est beaucoup plus utile de disposer d’un ensemble de couleurs proches et sélectionnables électroniquement. Une stratégie consiste à fabriquer un réseau de nombreux lasers monocouleur puis à fusionner leurs sorties pour qu’ils apparaissent, depuis l’extérieur, comme une source unique, brillante et accordable. Le défi tient au fait que les faisceaux térahertz ont tendance à être désordonnés et à diverger rapidement, et que les lentilles et réseaux encombrants utilisés habituellement pour diriger et combiner ces faisceaux ne s’intègrent pas bien dans l’environnement confiné et cryogénique requis par ces lasers.

De minuscules rainures qui orientent la lumière

Les auteurs abordent ce problème avec des réseaux de diffraction sur mesure — des éléments optiques qui redirigent la lumière en fonction de sa couleur — construits directement sur des puces semi‑conductrices. Plutôt que d’utiliser les rainures en dents de scie classiques creusées dans une pièce métallique volumineuse, ils emploient une « métasurface » : un sandwich ultra‑fin composé de métal, d’arséniure de gallium et de bandes métalliques patternées plus petites que la longueur d’onde térahertz. En choisissant avec soin l’épaisseur des couches ainsi que l’espacement et la largeur des bandes, ils créent une structure résonante qui concentre la majeure partie de l’énergie incidente dans une direction souhaitée tout en supprimant fortement la réflexion miroirsimple. Les simulations ont prédit que ces réseaux pouvaient rediriger jusqu’à environ 80 % de la lumière incidente sur une bande fréquentielle assez large centrée autour de 3,2 térahertz, et les expériences ont confirmé des efficacités atteignant 70 % pour un dispositif isolé.

Assembler un orchestre laser compact

Sur une puce séparée, l’équipe a fabriqué quatre lasers térahertz à émission de surface basés sur une conception antérieure qui utilise une rangée de microcavités fortement couplées pour produire un mode unique et propre. En variant légèrement l’espacement entre ces microcavités d’un laser à l’autre, ils ont réglé chaque dispositif pour qu’il lase à sa propre couleur, avec des pas de fréquence d’environ 14 gigahertz — assez petits pour que, en principe, des dizaines de ces lasers puissent tenir dans la bande passante naturelle du matériau actif. Chaque laser produisait un faisceau à lobe unique avec des puissances crête de plusieurs centaines de milliwatts avant tout dispositif de combinaison, mais les faisceaux sortaient de la puce selon des angles différents et divergeraient normalement les uns par rapport aux autres.

Rassembler plusieurs couleurs sur une même trajectoire

Pour réunir les faisceaux, les chercheurs ont installé une lentille plastique compacte et deux réseaux métasurfaces identiques côte à côte sur une plaque de cuivre à l’intérieur d’une chambre cryogénique sous vide. La lentille collimatise d’abord les faisceaux mais ne les rend pas parallèles : leurs directions diffèrent encore légèrement parce que les lasers sont situés à des positions distinctes. Le premier réseau métasurface plie chaque faisceau dépendant de la couleur d’une manière soigneusement choisie, et le second réseau achève la correction de sorte qu’après la paire, les quatre faisceaux se recouvrent dans l’espace et propaguent presque parfaitement le long d’une même ligne. Des mesures en champ lointain montrent qu’à 35 centimètres, les taches des quatre lasers se situent à environ un dixième de degré les unes des autres et sont séparées par moins d’un millimètre, formant un faisceau elliptique fortement collimaté avec une divergence modeste.

Ce que cela signifie pour les outils térahertz du futur

Bien que la puissance totale atteignant le détecteur — environ 11 à 16 % de la production directe des lasers — soit inférieure au maximum théorique, les auteurs identifient des pistes claires d’amélioration, principalement en élargissant les réseaux pour qu’ils collectent le faisceau dans son intégralité. Même dans sa forme actuelle, le système fournit 50 à 100 milliwatts par laser après combinaison, dans un boîtier cryogénique compact et entièrement intégré. Pour les non‑spécialistes, le message clé est que ce travail montre comment fusionner plusieurs « notes » térahertz intenses en un « instrument » accordable en utilisant des structures à l’échelle puce plutôt que des optiques volumineuses. Avec plus de lasers dans le réseau et des réseaux affinés, cette approche pourrait conduire à des spectromètres térahertz pratiques, de la taille d’une main, capables d’identifier rapidement des produits chimiques, d’inspecter des matériaux ou d’explorer des échantillons biologiques avec une grande sensibilité et sans contact physique.

Citation: Fei Jia, Sadhvikas J. Addamane, and Sushil Kumar, "Beam combining of high-power terahertz lasers with semiconductor metasurface gratings," Optica 12, 1640-1646 (2025). https://doi.org/10.1364/OPTICA.553819

Mots-clés: lasers térahertz, réseaux métasurfaces, combinaison de faisceaux, lasers à cascade quantique, spectroscopie