L’absorption à deux photons est un processus par lequel un matériau, comme un semi-conducteur, absorbe deux photons simultanément pour exciter un électron d’un niveau d’énergie inférieur à un niveau d’énergie supérieur. Ce phénomène est particulièrement intéressant dans les semi-conducteurs en raison de leur structure de bande, qui permet des transitions électroniques spécifiques.
Voici comment cela fonctionne en général :
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Énergie des photons : Chaque photon a une certaine énergie, qui est proportionnelle à sa fréquence. Pour qu’un électron soit excité d’un niveau de valence à un niveau de conduction, l’énergie totale des deux photons doit être égale ou supérieure à la différence d’énergie entre ces deux niveaux.
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Absorption simultanée : Contrairement à l’absorption classique où un seul photon est absorbé, dans l’absorption à deux photons, les deux photons doivent être absorbés presque simultanément. Cela nécessite des conditions spécifiques, comme une intensité lumineuse très élevée avec une concentration très grande.
L’expérience consiste à voir un signal électrique dans une diode InGaAs (LED couleur ambre) polarisée en inverse près du seuil d’avalanche (environ 10 volts) sous l’effet d’un pulse laser infrarouge à 1047 nm. C’est laser YLF q-switch (déclenché) de 7ns et 70 microjoules à 1kHz qui est utilisé pour cette expérience.Le signal est obtenu par absorption à 2 photons, ce qui permettra d’utiliser cette diode LED dans un auto-corrélateur à la place du cristal doubleur très coûteux (env. 1000 euro) alors que la diode coûte que quelques centimes d’euro ! Autre avantage de la diode elle ne nécessite pas l’accord de phase et permet de travailler sur une grande largeur spectrale, alors que le cristal doubleur travail sur une fréquence précise et en plus suivant son épaisseur il allonge la durée des pulses femtosecondes alors que la diode n’est pas concernée par ce problème.Dans cette phase de mesure j’utilise un laser de durée de 7 ns de durée de pulse ce qui est beaucoup trop long par contre j’ai une énergie de pulse énorme ce qui compense ce durée trop longue.On peux travailler sans amplificateur de trans-impédance et obtenir un signal de l’ordre du volt ! |
Exemples de composants commerciaux (à vérifier avec datasheet)
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Hamamatsu G4176 (GaAs photodiode, usage haute vitesse) — employée dans des setups optiques rapides ; GaAs PIN petits modèles existent chez Hamamatsu. (Ex. G4176 cité comme photodiode GaAs rapide). vérifie la taille de la zone active et le seuil d’endommagement. tmurphy.physics.ucsd.edu+1
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Hamamatsu GaAsP / GaAs photodiodes (ex. G1116 / S13993 …) — certains modèles GaAsP sont commercialisés pour détection visible/near-IR ; ils peuvent être utiles si leur bande interdite correspond. Vérifie la réponse spectrale et la zone active. beamq.com+1
Remarque : j’ai cité des exemples repérés rapidement — toujours vérifier les datasheets : zone active (mm/µm), tension de polarisation max, courant d’obscurité, temps de réponse, et surtout la résistance au flux optique (damage threshold).
Paramètres pratiques à choisir / vérifier sur la diode
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Zone active petite (≤100 µm) pour accepter le focus 5 µm sans pertes.
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Tension de polarisation élevée possible (pour diminuer la capacitance, améliorer la lecture transimpédance) — mais attention à l’avalanche non désirée.
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Faible courant d’obscurité (meilleur SNR).
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Épaisseur de la couche active : une couche active plus épaisse augmente l’interaction (L dans Δ ≈ β I L).
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Robustesse / damage threshold : à ~18 GW/cm² au centre, risque d’endommager des photodiodes commerciales non conçues pour ça → commencer doucement, augmenter progressivement.
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Option APD (avalanche) : peut amplifier le signal 2PA, utile si SNR faible, mais augmente le bruit excessif et peut saturer/dommager. Utiliser avec prudence.
Montage et lecture (conseils liés au choix du détecteur)
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Polarisation / reverse bias : biaser en inverse la PIN pour réduire la capacitance et lire le courant via un ampli transimpédance basse-bruit.
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Lock-in / modulation : pour améliorer le SNR, module le faisceau (chopper ou EOM) et utilise un lock-in.
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Filtrage optique : couper toute lumière de longueur d’onde plus courte (SHG, fluorescence) qui pourrait être détectée linéairement.
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Tests préliminaires : commencer à faible énergie et monter ; vérifier la dépendance en puissance (I_det ∝ I² pour 2PA).
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