Kollimierte Hochleistungs-THz-Quantenkaskaden-Laser

Aufgrund der speziellen Eigenschaften von Terahertz (THz) Strahlung sind zahlreiche zukünftige Anwendungen in verschiedenen wissenschaftlichen, industriellen und biomedizinischen Disziplinen vorstellbar. Der chemische Fingerabdruck von Molekülen, welcher auf Rotations- und Schwingungsübergängen basiert, ermöglicht die kontaktfreie Identifikation diverser Substanzenin diesemFrequenzbereichmittelsoptischerMethoden.Bildgebende qualitätssichernde Systeme nutzen eine andere Eigenschaft im THz Spektralbereich: Zahlreiche Materialklassen, wie Polymere, sind transparent im THz Regime, wodurch die innere Struktur solcher Materialien untersucht werden kann. Quantenkaskadenlaser (QCLs)sind die einzigen kompakten Quellenkohärenter Terahertzstrahlung mit hoher Ausgangsleistung. Das Funktionsprinzip basiert auf optischen Übergängenzwischen quantisierten Zuständen in Halbleiternanostrukturen.Die Übergangsenergie, und somit auch die Emissionsfrequenz, sind frei einstellbar, wodurch neue spektrale Bereiche erschlossen werden können. Heutigen THz QCLs mangelt es jedoch noch an adäquater Ausgangsleistung, Strahlqualität, Effizienz und maximaler Betriebstemperatur. Das Ziel dieses Projektes ist es, die Möglichkeit des quantenmechanischen Designs der optischen Eigenschaften mit neuen Materialien zu verknüpfen. In der Verbindung mit neuen Resonatorkonzepten, wie sie nur für QCLs möglich sind, können bis jetzt unerreichte Eigenschaften mit THz QCLs erzielt werden: Ein Projektteil befasst sich mit der Verbesserung der aktiven Zone mittels alternativer Materialsysteme. Basierend auf unseren Erkenntnissen von vorangegangenen Projekten werden verbesserte Designkonzepte mit numerischen Methoden evaluiert und experimentell überprüft, wobei eine hohe Ausgangsleistung angestrebt wird. Im zweiten Projektteil werden verschiedene Wellenleiterkonzepte theoretisch und experimentell untersucht um die erzeugte THz Leistung effizient vom Laserresonator zu extrahieren. Im Zuge dessen werden konventionelle Methoden mithilfe fortgeschrittener Fabrikationstechniken verbessert, sowie neuartige Resonatorkonzepte, wie z.B. Random Laser Resonatoren, untersucht. Somit wird eine effiziente Extraktion der optischen Leistung, sowie ein direktionales Fernfeld ermöglicht, welches essentiell für zukünftige Anwendungen in diesem Spektralbereich ist. Im abschließenden Projektteil werden die neuartigen aktiven Zonen mit den entwickelten Laserresonatorenkombiniert, wodurch einebreitbandige THz Quellemit hoher Ausgangsleistung und direktionalem Fernfeld entsteht. Dies ist ein wichtiger Schritt, um zukünftige Anwendungen im THz Spektralbereich zu ermöglichen, wo eine hohe optische Leistung benötigt wird, wie z.B. für Echtzeitbildgebung und für berührungslose Sensorik.

Terahertz (THz)-Strahlung bietet mehrere einzigartige Eigenschaften, die für zukünftige Anwendungen in verschiedenen wissenschaftlichen, industriellen und biomedizinischen Disziplinen besonders interessant sind. Quantenkaskadenlaser (QCLs) sind die einzigen Hochleistungsquellen für kohärente THz-Strahlung in Chipgröße. Sie basieren auf optischen Übergängen zwischen quantisierten Zuständen von Halbleiter-Nanostrukturen. Die Übergangsenergie kann frei gestaltet werden, um neue Spektralbereiche abzudecken. Den heutigen QCLs mangelt es jedoch immer noch an Ausgangsleistung, Strahlqualität, Effizienz und Betrieb bei Raumtemperatur. Im Rahmen dieses Projekts haben wir die Leistung von QCLs erheblich verbessert, indem wir ein neues quantenmechanisches Design eingeführt haben, welches sehr hohe, aber dünne (etwa eine Atomschicht) Barrieren verwendet. Dieser Ansatz führte zu einer Erhöhung der Betriebstemperatur auf ~ 200 K. Dadurch konnten wir erstmals eine thermoelektrische Kühlung anstelle von flüssigem Helium oder flüssigem Stickstoff verwenden. Dies ist ein wichtiger Durchbruch für die Anwendung in (bio-)chemischen Sensor- oder Bildgebungssystemen. Darüber hinaus ermöglichte uns diese neue aktive Zone auch die Realisierung eines THz-Frequenzkamms mit 30 äquidistanten Lasermoden durch Verwendung einer ringförmigen Laserkavität. Ein einzigartiger Vorteil von THz-QCLs ist ihre Skalierbarkeit. Durch Variation der Dicke der Quantentöpfe und Barrieren ist es möglich, die quantisierten Energieniveaus einzustellen und einen Laserübergang für eine benutzerdefinierte Emissionswellenlänge zu erhalten. Die aktive Zone herkömmlicher THz-QCLs besteht aus einer periodischen Anordnung mehrerer identisch aufgebauter Einheitszellen. Während diese Einheitszellen eine hohe Verstärkung bei einer Wellenlänge bieten, ist die Verstärkungsbandbreite durch die der gewählten Einheitszelle begrenzt. Um diese Einschränkung zu überwinden, ist es möglich, aktive Zonen zu entwerfen, die aus unterschiedlichen Einheitszellen bestehen und diese in eine zusammenhängende Struktur zu stapeln. Durch die Verwendung dieses Konzepts haben wir einen heterogenen THz-QCL realisiert, welcher aus fünf verschiedenen Einheitszellen besteht und eine Ultrabreitbandemission von über 2,6 THz abdeckt. Wir haben den Einsatz von sogenannten Random Laser Resonatoren als breitbandige, kohärente Lichtquelle im Terahertz-Bereich untersucht. Es wurde ein Steuerungsschema entwickelt, um die Emissionsspektren der Laser zu kontrollieren, indem schwache Nahinfrarot Strahlung eingekoppelt wird, welche die Permittivität des aktiven Mediums ändert. Darüber hinaus wurde ein räumlicher Lichtmodulator (Spatial Light Modulator) mit einem Optimierungsverfahren kombiniert, um einen ursprünglich multimodigen THz-Zufallslaser in eine durchstimmbare Singlemode-Quelle umzuwandeln. Dieses Steuerungsschema bietet neue Freiheitsgrade, welche verwendet werden können, um breit abstimmbare Quellen mit potenziellen Anwendungen in der selbstreferenzierten Spektroskopie zu erstellen. Dies ermöglicht die Vorhersage räumlicher Modulationsmuster für gewünschte Laserspektren in Echtzeit, wodurch langwierige und kostspielige Simulations- und Optimierungsiterationen entfallen.