De 1976 au milieu des années 80, la recherche menée par Jean-Michel Lourtioz a été orientée vers le développement de lasers moléculaires. Après une première contribution à l’étude des lasers chimiques HF/DF, il s’est focalisé sur les lasers pompés optiquement par laser CO₂ émettant en moyen ou lointain infrarouge. Il a ainsi mis en évidence de nouvelles émissions lasers de fluorocarbones lourds, a rapporté de très hautes performances de puissance du laser à méthanol et a obtenu un rendement record du laser Raman à ammoniac émettant à 12 µm de longueur d’onde. Lui et son groupe ont mis en évidence, pour la première fois, des interactions paramétriques à quatre ondes dans l’ammoniac pompé optiquement et ont, par ailleurs, étudié en détail le verrouillage par injection des lasers CO₂ de haute puissance. Des applications variées des lasers en moyen et lointain infrarouge ont été étudiées, en particulier le développement de dispositifs non linéaires à l’état solide tels que des jonctions supraconductrices Josephson.

 

Dans le milieu des années 80, Jean-Michel Lourtioz a complètement réorienté ses activités de recherche en passant de la physique moléculaire et des lasers à gaz à la physique des semiconducteurs et à l’optoélectronique quantique.

 

Il s’est d’abord investi dans les études de diodes lasers en régime d’impulsions courtes et dans l’échantillonnage électro-optique. Lui et son groupe ont réussi à produire les impulsions optiques les plus courtes (≈ 150 fs) jamais rapportées à partir de diodes lasers fonctionnant en régime de blocage de modes (1989-1995). Ce résultat s’est accompagné de la démonstration d’absorbants saturables et de commutateurs optiques ultra-rapides aux longueurs d’onde des télécommunications optiques grâce à l’irradiation de puits quantiques à base d’InP par des faisceaux d’ions à haute énergie. Des photomélangeurs à très large bande ont aussi été développés sur le même principe (1996-2006).

 

Jean-Michel Lourtioz a abordé les études de dispositifs inter-sous-bandes à puits quantiques GaAs/AlGaAs et de composants photoniques SiGe presque simultanément avec celles des diodes lasers. Lui et son groupe ont été les premiers à mettre en évidence la saturation des transitions inter-sous-bandes et à remonter, de cette façon, aux temps de vie des niveaux élecroniques concernés. Les études des transitions inter-sous-bandes dans les puits quantiques ont aussi conduit à la démonstration de phénomènes tels que la conversion de photoluminescence à haute fréquence en proche infrarouge ou la génération de second harmonique en moyen infrarouge (1989-1999). Jean-Michel Lourtioz et son groupe ont, par ailleurs, été les premiers à obtenir par pompage optique l’émission de lasers semiconducteurs unipolaires aux grandes longueurs d’onde.

 

C’est vers le début des années 1990 que Jean-Michel Lourtioz s’est également tourné vers la nanophotonique en engageant des recherches sur les cristaux photoniques aussi bien au niveau de son laboratoire qu’au niveau national. Les recherches sur les cristaux photoniques ont d’abord abouti à la réalisation d’un cristal photonique contrôlable électriquement aux longueurs d’onde centimétriques et à la mise en évidence d’une bande photonique interdite bidimensionnelle complète dans le silicium macroporeux à la longueur d’onde de 1,5 µm. Les résultats sans doute les plus marquants dans ce domaine concernent, d’une part, la fabrication d’un cristal photonique tridimensionnel de type Yablonovite en proche infrarouge par gravure du silicium par faisceaux d’ions focalisés et d’autre part, l’analyse détaillée des lasers à guide d’onde à cristal photonique aux longueurs d’onde des télécommunications optiques (1997-2007).

 

Dans les années 2000, Jean-Michel Lourtioz a prolongé les études de cristaux photoniques par l’exploration de métamatériaux aussi bien aux fréquences optiques qu’en micro-onde. Parmi les contributions reconnues sur le plan international dans ce domaine, citons l’obtention de réfraction négative par hybridation contrôlée de plasmons, la mise en évidence d’une cape d’invisibilité en micro-onde, basée sur la réponse électrique de résonateurs à anneau fendu, et l’analyse théorique et expérimentale du couplage résonance-continuum dans les métamatériaux diélectriques à haute permittivité (2007-2010).

 

En 2010, Jean-Michel Lourtioz a réorienté une partie de ses activités vers le développement de projets de recherche en nanobiotechnologie, incluant l’analyse microscopique des nanomédicaments, la plasmonique guidée pour la bio-détection et les capteurs pour le biomédical. À partir de 2013, Jean-Michel Lourtioz a élargi son spectre d’activités en contribuant à des grands projets structurants de recherche sur le campus de Paris-Saclay ainsi qu’à la diffusion de la culture scientifique, en particulier dans le domaine des nanosciences et du développement durable.