Terahertz Quantenkaskadenlaser-Quellen basierend auf Intra-Resonator Differenzfrequenzerzeugung mit Gittergestützter vertikaler Lichtauskopplung

• Antragsteller: Professor Mikhail Belkin, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 442667270

Das Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist eine Verbesserung der Leistungskennzahlen, insbesondere der durchschnittlichen Terahertz-Ausgangsleistung und des Umwandlungswirkungsgrades vom mittleren Infrarot zu Terahertz (THz)-Strahlung, in Raumtemperatur THz-Quellen um mindestens eine Größenordnung zu erreichen. Die Quellen basieren auf Intra-Resonator Differenzfrequenzerzeugung (DFG) in Quantenkaskadenlasern (QCLs) im mittleren Infrarot. Diese Bauteile, bezeichnet als THz DFG-QCLs, sind zum jetzigen Zeitpunkt die einzigen monolithischen, elektrisch gepumpten Halbleiterlaserquellen für Strahlung von 1 bis 6 THz, welche bei Raumtemperatur betrieben werden können. THz DFG-QCLs auf dem neusten Stand der Technik erreichen heutzutage bis zu 1,9 mW Terahertz Spitzenleistung und bis zu 14 Mikrowatt Leistung im Dauerstrichbetrieb bei Raumtemperatur, wobei der nichtlineare Umwandlungswirkungsgrad vom mittleren Infrarot, je nach Bauteilgestaltung, im Bereich von ~ 0,1-1 mW/W2 liegt. Unsere experimentellen Ergebnisse und theoretische Analyse zeigen allerdings, dass in diesen Bauteilen nur unter 5% der erzeugten THz Strahlung in den freien Raum ausgekoppelt wird. Die restliche Leistung verbleibt im Laserchip und wird wieder absorbiert.Das Projekt zielt darauf die Effizienz des Auskopplungsprozesses in THz DFG-QCLs durch die Verwendung von auf Gittern basierter Oberflächenemission der THz Strahlung signifikant zu verbessern und ihre Leistung damit um eine Größenordnung zu erhöhen. Unsere vorläufigen Simulationen zeigen, dass diese effiziente, auf Gittern basierte Auskopplung der THz Strahlung in THz DFG-QCLs durch Verwendung von hybriden dielektrisch-plasmonischen Wellenleitern, welche beidseitig mit Metall bedeckt sind, erreicht werden kann. Der Fokus dieses Projektes wird auf der theoretischen Optimierung, praktischen Implementierung und experimentellen Bestätigung der stark verbesserten Leistung der THz DFG-QCLs mit THz Gitter-Auskoppler liegen. Es wird erwartet, dass dieses Projekt zu einer kompakten, oberflächenemittierenden THz DFG-QCL Quelle mit niedriger THz Strahldivergenz und einer durchschnittlichen THz Ausgangsleistung um 1 mW bei Raumtemperatur führen wird. Durch ihre Kompaktheit, die Möglichkeit des Betriebs bei Raumtemperatur und der Massenherstellung wird erwartet, dass die vorgeschlagenen oberflächenemittierenden THz DFG QCL Quellen eine erhebliche Auswirkung auf bestehende THz Messgeräte, wie Systeme zur heterodyn Detektion, Spektroskopie und Bildgebung haben wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen