Direct THz-wave generation in a dual-color near-IR semiconductor laser

• Applicant: Professor Dr. Hartmut G. Roskos
• Subject Area: Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
• Term: from 2007 to 2012
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 52302596

Es soll eine Raumtemperatur-Quelle für THz-Strahlung entwickelt werden, die auf im Nahinfraroten emittierenden Zweifarben-Halbleiterlasern beruht. Die Schwebung der Laserstrahlung führt durch Differenzfrequenzerzeugung zu Strahlung im THz-Frequenzbereich, wobei der Mischprozess entweder im aktiven Laser selbst oder in einer nachgenschalteten optischen Halbleiter-Verstärkerstruktur erfolgt. Eine hohe Konversionseffizienz soll durch die Kombinationen der folgenden Maßnahmen erreicht werden: 1.) Das Mischen im aktiven Laser/ Verstärker stellt eine hohe Laserfeldstärke sicher; 2.) Es sollen sowohl die passiven optischen Nichtlinearitäten genutzt werden als auch die bisher in nicht-laseraktiven Medien unzugängliche, mit dem Inversen Fotostromeffekt verbundene Nichtlinearität, die auf der mit der Schwebung der Laserstrahlung zeitlich modulierten Rekombination der Ladungsträger beruht; alle Nichtlinearitäten werden durch Wavefunction Engineering der Multiquantentrog-Strukturen des Lasers/Verstärkers optimiert; 3.) die Wechselwirkungslänge (Kohärenzlänge) wird durch Optimierung der Phasenanpassung maximiert; und 4.) Absorptionsverluste der THz- Strahlung durch freie Ladungsträger werden durch die gewählten Vorgehensweisen bei der Ladungsträgerinjektion, die die Verwendung undotierter Substrate erlauben, sehr gering genhalten. Das Ziel-Bauelement emittiert also einerseits im Nahinfraroten und gleichzeitig in abstimmbarer Weise im Frequenzbereich von 1-5 THz. Für die erreichbare THz-Strahlleistung ergibt eine vorsichtige Abschätzung einen Wert ³ 20 μW, womit dieser Emitter bereits einer der effizientesten Dauerstrichquellen für THz-Strahlung vom Fotomischertyp wäre. Die theoretische Grenze für die Ausgangsleistung liegt noch wesentlich darüber. Die Laserstrahlung im Nahinfraroten stellt kein “Abfallprodukt” der Erzeugung der THz- Strahlung dar, sondern kann vielmehr für die hochempfindliche kohärente Detektion der THz- Strahlung auf fotokonduktivem oder elektrooptischem Wege bei Raumtemperatur verwendet werden. Die Betriebswellenlängen des Nahinfrarotlasers sollen im Telekommunikationsfenster um 1.55 mm liegen. Um dies zu erreichen, ist das Laser/Mischer-Design durch geeignete Maßnahmen entsprechend anzupassen. Zusätzlich zur THz-Strahlerzeugung wollen wir die elektrooptische Detektion der Strahlung unter Verwendung von GaAs-Einkristallen untersuchen. GaAs bietet bei Wellenlängen um l = 1.55 mm sehr gute Möglichkeiten der Phasenanpassung für die optischen und die THz-Wellen sowie sehr geringe Verluste in beiden Spektralbereichen. Wir streben für die ersten drei Projektjahre das optische Pumpen des Lasers an. In der zweiten Phase soll dann auf elektrisches Pumpen übergegangen werden.

• DFG Programme: Research Grants
• Participating Person: Professor Dr. Alvydas Lisauskas