Ny rekord opnået i terahertz -pulsgenerering

En gruppe forskere fra TU Wien og ETH Zürich er lykkedes i deres forsøg på at generere ultrakorte terahertz -lyspulser. Med længder på blot et par picosekunder, disse pulser er ideelt til spektroskopiske applikationer og gør det muligt at foretage ekstremt præcise frekvensmålinger.

De unikke egenskaber ved terahertz -stråling betyder, at den er af interesse for en lang række potentielle anvendelser, herunder ikke-invasiv medicinsk billeddannelse og påvisning af farlige stoffer. Terahertz -bølger kan trænge igennem mange materialer, der er uigennemsigtige for synligt lys og, i modsætning til røntgenstråling, ikke udgør en risiko for beskadigelse af biologisk væv. Ud over dette, mange stoffer har et molekylært fingeraftryk i terahertz -området, gør det muligt at opdage dem ved hjælp af spektroskopiske metoder. En effektiv måde at generere disse terahertz -bølger på er ved hjælp af kvantekaskadelasere, som en arbejdsgruppe ledet af prof. Karl Unterrainer ved Photonics Institute ved TU Wien har forsket og udviklet. Quantum cascade lasere består af en præcist defineret sekvens af flere hundrede halvlederlag, der kun måler et par nanometer i tykkelse. Denne særlige konstruktion betyder, at der er frihed til at vælge den nøjagtige energitilstand, hvor elektronerne holder sig inden for halvlederstrukturen. Dette gør det muligt at justere frekvensen af ​​det udsendte laserlys, så det passer til den pågældende applikation.

Oprettelse af en frekvenskam med et bredbånds 'lasersandwich'

Med denne særlige egenskab ved at kunne bestemme selve laserbølgelængderne, flere kvantekaskadestrukturer med forskellige emissionsfrekvenser kan stables oven på hinanden, med det formål at generere bredbånds terahertz -stråling. "Heterogene aktive zoner af denne art er ideelt egnet til implementering af bredbånds terahertz -forstærkere og generering af ultrakorte terahertz -pulser, "forklarer Dominic Bachmann fra Photonics Institute. Plus, hvis de diskrete laserlinjer er forbundet med hinanden for at etablere et fastfaseforhold mellem lasertilstande, noget kendt som en 'frekvenskam' vil blive oprettet. Frekvenskamme gør det muligt at foretage ekstremt præcise målinger af den absolutte frekvens af det lys, der bruges, hvilket er afgørende for et stort antal applikationer. Opdagelsen af ​​frekvenskammen revolutionerede mere eller mindre optisk metrologi og blev hædret med Nobelprisen for fysik i 2005. I løbet af de sidste fire år har forskere har arbejdet hårdt på at generere en terahertz -frekvenskam ved hjælp af en kvantekaskadelaser som en del af EU -projektet TERACOMB. Ledet af Dr. Juraj Darmo fra Photonics Institute, Det er lykkedes teamet af internationale forskningsgrupper at generere den første bredbånds terahertz -frekvenskam baseret på halvlederteknologi.

Ser lasere på arbejde

En metode udviklet af gruppen ledet af prof. Unterrainer gør det muligt at analysere interne kvantekaskade laserparametre under laseroperation. Denne teknik er baseret på tidsopløst spektroskopi, med bredbåndsterahertz -pulser, der trænger ind i prøven, der skal måles. Baseret på femtosekundlasere, denne teknologi kan bruges til at indsamle det fulde informationsindhold vedrørende tid og frekvensområde med kun en enkelt måling. Som resultat, forskerne ved Photonics Institute har formået at kvantificere de optiske forstærkningskoefficienter såvel som den optiske spredning i bredbånds terahertz kvantekaskade lasere, forbedre deres forståelse af den komplekse dynamik i spil. "Disse fund giver os mulighed for at øge laserbåndbredden endnu mere og forbedre effektiviteten af ​​frekvenskamme, "forklarer Juraj Darmo.

Målretningstab

Et uløst problem med terahertz kvantekaskade lasere havde været eksistensen af ​​laserlinjer med forskellige formeringshastigheder. Hvis der er lasertilstande med en højere lateral rækkefølge, intensiteten fordeles meget ujævnt mellem laserlinjerne, derved reduceres den brugbare båndbredde og forhindrer generering af en frekvenskam. For at stoppe disse tilstande fra at svinge, tabene skal øges i en sådan grad, at de ikke når lasertærsklen. Ved at tilføje en skræddersyet lateral absorber til kanterne af laserresonatoren, det lykkedes forskerne helt at undertrykke de højere laterale tilstande, uden at have nogen relevant indvirkning på de grundlæggende tilstande. Resultatet var en emissionsbåndbredde, der dækker en hel oktav, meget jævn tilstandsfordeling i midten ved 700 GHz, og en frekvenskam med en båndbredde på 440 GHz. Hvad mere er, de laterale absorbere muliggør dannelse af ultrakorte terahertz -pulser med pulsbredder på mindre end 3 ps, som repræsenterer en ny verdensrekord for terahertz -pulser genereret ved hjælp af en kvantekaskadelaser. "Det var virkelig fantastisk at se, hvordan en relativt mindre justering af bølgelederen kunne medføre en så dramatisk forbedring, "forklarer Dominic Bachmann, som netop er færdig med at skrive sin afhandling om bredbåndskvantekaskade lasere.