Hochtemperatur -Betrieb von Breitband-bidirektionalen Terahertz-Laserpointer

Terahertz-Quantenkaskadenlaser (QCL) mit einem Breitband-Verstärkungsmedium könnte eine wichtige Rolle für die Sensorik und Spektroskopie spielen, da dann könnte verteilter Rückkopplung Systeme genutzt werden roter laseranordnungen auf einem einzigen Halbleiterchip mit breiten spektrale Abdeckung herzustellen. QCLs können entworfen werden, bei zwei unterschiedlichen Frequenzen zu emittieren, wenn sie mit entgegengesetzten elektrischen Polaritäten vorgespannt ist. Hier Terahertz QCLs mit bidirektionalen Betrieb werden entwickelt, um Breitband-Laser aus dem gleichen Halbleiterchip zu erreichen. Ein Drei-gut Design-Schema mit flachen Vertiefungen GaAs / Al0.10Ga0.90As Gitter entwickelt für bidirektionale QCLs Hochtemperaturbetrieb zu erreichen. Es wird gezeigt, dass Flachmulden-Heterostrukturen, um eine optimale Quantentransport im Übergitter für bidirektionalen Betrieb führen im Vergleich zu der vorherrschenden GaAs / Al0.15Ga0.85As Materialsystem. Breitband Lasing in dem Frequenzbereich von 3,1-3,7 THz wird eine QCL Design gezeigt, die jeweils Polaritäten in entgegengesetzten maximalen Betriebstemperaturen von 147 K und 128 K erreicht. Zweifarben-Laser mit großen Frequenzabstand für eine zweite QCL gezeigt, die bei ~ 3,7 THz aussendet und arbeitet in einer Polarität auf 121 K auf, und bei ~ 2,7 THz in der entgegengesetzten Polarität zu 105 K auf. Dies sind die höchsten Betriebstemperaturen für Breitband-Terahertz QCLs an den jeweiligen Emissionsfrequenzen erreicht, und die kommerzielle Entwicklung von Breitband-Terahertz-Laser-Arrays führen könnte.

Zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten existieren für die Spektroskopie und Sensorik im Terahertz-Bereich des elektromagnetischen Spektrums (ν ~ 1-10 THz, λ ~ 30-300 & mgr; m), da große polare Moleküle charakteristische spektrale Signaturen in diesem Frequenzbereich. Auszuführen Terahertz Spektroskopie solcher Moleküle ist es wünschenswert, Hochleistungsquellen kohärenter Strahlung zu haben, die über eine große Bandbreite abgestimmt werden konnte. Terahertz-Quantenkaskadenlaser (QCL) 1 sind die mächtigsten Solid-State-Quellen von Terahertz-Strahlung, die eindeutig bereit sind eine Reihe von Anwendungsmöglichkeiten in so unterschiedlichen Bereichen wie Astronomie, Atmosphärenforschung, Biologie, Medizin und der chemischen Analyse zu zielen. Terahertz QCLs könnte ausgelegt sein Ausgangsleistung im Bereich von zig Milliwatt bei kryogenen Temperaturen zu emittieren. Die Ausgangsleistung bei der gewünschten Betriebstemperatur und andere Eigenschaften, wie die spektralen und Strahlungseigenschaften hängen von der Design-Schema des aktiven Bereichs sowie die des Hohlraums. QCLs mit besten Betriebstemperaturen sind jetzt entwickelt mit drei gut Designschemata in der GaAs / Al0.15Ga0.85As Materialsystem mit einer darunter liegenden Merkmal mit Resonanz-Phonon Entvölkerung und ein gut injection5 Systeme.

Terahertz QCLs werden typischerweise für Breitband-Spektroskopie gewünscht, für die es nützlich wäre, Halbleiterchips mit Einmoden-QCL-Arrays zu haben, die breite spektrale Abdeckung bieten könnte. Derartige mini laser graviermaschine arrays wurden im mittleren Infrarot (IR) QCLs6,7 und sind nun im Handel erhältlich für mid-IR-Frequenzen entwickelt. Im Allgemeinen stellt eine typische Terahertz QCL Verstärkungsbandbreite von ~ 0,2-0,4 THz um ihre zentrale Emissionsfrequenz .

Eines der einzigartigen Merkmale der QCLs ist, dass sie für laser für luftgewehr unabhängig bei zwei unterschiedlichen Frequenzen für positive und negative elektrische Vorspannung respectively14 gestaltet werden könnte. Dies ist möglich, weil der unipolaren Trägertransport in Intersubbandübergängen Laser. Die Verstärkungsbandbreite für Laser in Resonanz-Phonon Terahertz QCLs ist in der Regel im Bereich von 0,2-0,5 THz.Wenn sie richtig konzipiert, könnte bidirektionale QCLs erhöhen möglicherweise die Verstärkungsbandbreite zu ~ 1 THz, ohne signifikant die Leistungseigenschaften zu beeinträchtigen, da gesamte Verstärkung für eine gegebene Betriebs Polarität zur Verfügung steht. Es gab nur sehr wenige Berichte über bidirektionale Terahertz QCLs gewesen. Die erste bidirektionale Terahertz QCLs wurden mit einem Vier gut GaAs / Al0.15Ga0.85As Design-Schema gezeigt, mit einem gut Injektor und Resonanz-Phonon depopulation15,16. In dieser Arbeit zeigen wir, dass eine verbesserte Leistung für eine bidirektionale QCLs realisiert werden könnte, wenn sie mit dem robusteren drei gut Design-Schema umgesetzt werden; jedoch im Folgenden wird argumentiert, dass flachen Vertiefungen (mit 10% -Al Schranken) verwendet werden muß, um die Design-Flexibilität zu erreichen, die für das Erreichen Verstärkung bei getrennten Frequenzen in entgegengesetzten Polaritäten benötigt wird. Für solche Konstruktionen ist die maximale Betriebstemperatur besser oder auf Augenhöhe mit der aller anderen bisher Breitband entwickelt Terahertz QCLs. Shallow-Brunnen führen auch zu niedrigeren Schwellenstromdichten im Vergleich zu den Schwellenstromdichten in drei gut Terahertz QCLs, die auf 15% -Al barriers17 überwiegend basieren, die einen zusätzlichen Nutzen in den vorgestellten Designs ist.