Amphi Durand Bâtiment Esclangon
Sergeï Celaj, doctoraat dans l’équipe Acoustique et optique pour les nanosciences et le quantique
Fabrication et caractérisation de microlasers à modes de galerie et avec des émetteurs quantiques
En acoustique ou en optique, les modes de galerie (Whispering Gallery Modes, WGMs) associés à la résonance de modes circulant à l’interface de cavités cylindriques ou sphériques présentent généralement des forts facteurs de qualité.
En optique, ils ont démontré leur intérêt pour des applications dans divers domaines tels que la biosensibilité, la photonique et l’émission laser. Dans cette thèse, nous concevons et fabriquons des microcavités diélectriques cylindriques de différent types : droite ou en forme de soucoupe directement sur substrat, ou disposées au dessus d’un piedestal (cavités dites « en T ») à l’aide de différents systèmes de photolithographie laser. Des boîtes quantiques semi-conductrices colloidales sont déposées sur ces cavités. Leur fluorescence permet d’exciter les modes de galerie des cavités, dont les facteurs de qualité atteignent la valeur de 6000. Ces résultats expérimentaux ont été comparés à des simulations, montrant un excellent accord entre la théorie et les mesures expérimentales. Pour obtenir du gain pour une émission laser, une solution concentrée de boîtes quantiques CdS/CdSe/CdS (cœur/coquille/coquille) a été déposée sur des microcavités « en T ». Les microlasers à modes de galerie ainsi obtenus présentent un seuil laser faible, et en fonction de leur géométrie émettent en régime monomode ou multimode. Nous avons démontré que le laser pouvait fonctionner dans un régime de gain excitonique ou biexcitonique, en fonction du facteur de qualité de la cavité. Nous avons démontré la séparation d’un mode laser en deux modes très proches spectralement, dont l’origine peut être interprété en fonction de leurs caractéristiques soit comme le couplage de deux modes laser contrapropageant, soit comme une manifestation de couplage fort dans l’interaction lumière–matière. Ce travail établit une plateforme de microlasers à mode de galerie à base de boîtes quantiques, ouvrant la voie à de futures applications dans les dispositifs
photoniques intégrés et les technologies de biodétection.
Fabrication and characterization of microlasers based on whispering gallery modes resonators and quantum emitters
In acoustics or optics, Whispering Gallery Modes associated with the resonances of modes circulating at the interface of cylindrical or spherical cavities generally present high quality factors. In optics, they have attracted attention due to their applications in different domains, such as, biosensing, photonics and lasing emission. In this thesis, we have designed and fabricated dielectric cylindrical microcavities of different types: straight and parabolic microdisks directly on the substrate, or straight microdisks on top of a standing pedestal (so called “T-shaped” cavities), fabricated by different laser photolithography systems. Colloidal semiconducting quantum dots are deposited on the surface of the cavities. Their fluorescence allows to excite the Whispering Gallery Modes of the cavities, with quality factors reaching values up to 6000. The experimental results have been compared with simulations, giving an excellent match between the theory and the experimental measurements. To obtain sufficient gain for laser emission, a concentrated solution of quantum dots CdS/CdSe/CdS (core/shell/shell) was deposited on top of “T-shaped” microcavities. The Whispering Gallery Modes microlasers exhibit low lasing threshold, and depending on their geometry, they emit in single-mode or multi-mode regime. We have shown that the laser can operate in the excitonic or biexcitonic gain regime depending on the quality factor of the cavity. We demonstrated the splitting of a lasing mode into two spectrally close modes. The splitting origin can be interpreted as either the coupling of counterpropagating modes or as a manifestation of strong coupling in light-matter interaction. This work establishes a platform of quantum dot based Whispering Gallery Modes microlasers, paving the way for future applications in integrated photonic devices and biodetection technologies.
Jury
- Ngoc DIEP LAI (LUMIN, ENS Université Paris-Saclay, Gif-sur-Yvette) – Rapporteur
- Olivier GAUTHIER LAFAYE (LAAS, Université deToulouse, Toulouse) – Rapporteur
- Nicolas DUBREUIL (LP2N, Université de Bordeaux, Talence) – Examinateur
- Carole DIEDERICHS (LPENS, ENS Sorbonne Université, Paris) – Examinatrice
- Costanza TONINELLI (LENS, Université de Florence, Florence) – Examinatrice
- Agnes MAITRE (INSP, Sorbonne Université, Paris) – Directrice de thèse
