Spectral gain dynamics of terahertz quantum cascade lasers

Abstract

Der Terahertz-Spektralbereich bietet ein breites Anwendungsspektrum, das von Bildgebung und Kommunikation bis hin zu Spektroskopie reicht. Terahertz-Quantenkaskadenlaser (THz-QCLs) erreichen Ausgangsleistungen im Watt-Bereich und maximale Betriebstemperaturen von 250 K, wodurch thermoelektrische Kühlung bereits in kompakter Form möglich ist. Ziel dieser Dissertation ist die Untersuchung der Intersubband-Dynamik von breitbandigen THz-QCLs im normalen Laserbetrieb und im gepulsten Laserbetrieb mit Hilfe einer THz-Anreg-THz-Abtast-Technik basierend auf der THz-Zeitbereichsspektroskopie. Der untersuchte heterogene QCL besteht aus drei Quantenkaskaden- (QC-) Designs, deren Emissionsspektren um 2.3, 2.6 und 2.9 THz zentriert sind und kann als weit abstimmbare Laserquelle und phasen- oder modengekoppelter Frequenzkamm zur Erzeugung stabiler Impulsfolgen mit kurzer Impulsdauer verwendet werden. Wir haben Verstärkungserholungszeiten von ~35 ps für die heiße und ~50 ps für die kalte Laserkavität gemessen sowie die charakteristische temperaturabhängige und die spektrale Verstärkungsdynamik des zugrunde liegenden Bound-To-Continuum-Designs mit longitudinaler optischer Phononenextraktion. Darüber hinaus wurde das vielversprechende Mehrsektionskonzept von QCLs auf dynamisches Verhalten untersucht. Die synchronisierte Erholung aller QC-Abschnitte – trotz der Fehlausrichtung der QC-Abschnitte im elektrischen Feld, die durch das ungleichmäßige und ortsabhängige THz-Anregpulsspektrum induziert wird – deutet auf eine starke Kopplung der QC-Abschnitte hin, die durch den Elektronentransport aufgrund ihrer seriellen Anordnung und durch das Photonenfeld aufgrund der spektralen Überlappung der Verstärkungsquerschnitte vermittelt wird. Wir beobachteten weiters eine überlagerte schnelle Verstärkungsdynamik mit entgegengesetzten Vorzeichen, die durch Kompensationsprozesse in den einzelnen QC-Abschnitten nach der asymmetrischen Entvölkerung des oberen Laserniveaus auf die beiden unteren Laserniveaus erklärt werden kann. Im letzten Teil der Dissertation haben wir die Konkurrenz zwischen Impulsen im verstärkungsgeschalteten THz-QCL untersucht, die den konkurrierenden Prozessen der Einzel- und Zweipulsbildung in einem modengekoppelten THz-QCL ähnelt. Wir haben gezeigt, dass ein parasitärer Impuls eine sehr unterschiedliche Verstärkungsdynamik erfährt, die entscheidend vom Nettoverstärkungswert, dem Spiegelverlust und dem Verhältnis von Verstärkungserholungszeit zu Umlaufzeit abhängt.

The terahertz (THz) spectral region offers a wide range of applications, ranging from imaging and communication to spectroscopy. THz quantum cascade lasers (QCLs) achieve output powers in the watt range and maximum operating temperatures of 250 K, which already enable thermoelectric cooling in a compact form. The aim of this thesis is to investigate the intersubband dynamics of broadband THz QCLs in normal laser operation and in pulsed laser operation using a THz-pump–THz-probe technique based on the THz time-domain spectroscopy. The investigated heterogeneous QCL consists of three quantum cascade (QC) designs, whose emission spectra are centered around 2.3, 2.6 and 2.9 THz, and can be used as widely tunable laser sources and phase-locked or mode-locked frequency combs for generating stable trains of short pulses. We measured gain recovery times of ~35 ps for the hot and ~50 ps for the cold laser cavity and the characteristic temperature-dependent and spectral dynamics of the underlying Bound-To-Continuum design with longitudinal optical phonon extraction. In addition, the promising multi-section concept of QCLs was examined for dynamic behavior. The synchronized recovery of all QC sections – despite the misalignment of the QC sections induced by the non-uniform and position-dependent THz-pump pulse spectrum – indicates that the different QC sections are strongly coupled by the electron transport due to their serial arrangement and by the photon field due to the spectral overlap of the gain cross-sections. We observed fast gain dynamics with opposite signs, which can be explained by compensation processes in the individual QC sections after the asymmetrical depopulation of the upper laser level on the two lower laser levels. In the last part of the thesis, we studied the competition between pulses in the gain-switched THz QCL, which resembles the case of single versus two-pulse formation in a mode-locked THz QCL. We demonstrated that a parasitic pulse experiences very different amplification dynamics that depends crucially on the net gain value, mirror loss and ratio of the round-trip time and the gain recovery time.