Terahertz intersubband random lasers

Abstract

Ziel der vorliegenden Diplomarbeit war die Herstellung und Charakterisierung von Terahertz Intersubband Random Lasern. Ein Laser besteht im Wesentlichen aus zwei Bestandteilen: Einem aktiven Medium, in dem Licht entstehen kann und einem Resonator, der das Licht möglichst lange in diesem hält. Bei einem Random Laser wird der Resonator durch Mehrfachstreuung an zufällig angeordneten Streuern ersetzt. Die entstehenden Moden sind dann, je nach Streuerdichte, entweder in Teilen des Lasers lokalisiert oder großflächig ausgedehnt und führen dadurch zu Laserlicht mit niedriger räumlicher Kohärenz. Diese Art von Licht ist gut für bildgebende Verfahren geeignet, da Artefakte wie Speckles verschwinden, die bei Beleuchtung mit kohärenter Strahlung auftreten. Quantenkaskadenlaser erfüllen die wesentlichen Anforderungen für diese Aufgabenstellung. Die Frequenz der aktiven Zone kann bis in den Terahertzbereich designt werden, sie sind elektrisch pumpbar und können durch mikroelektronische Prozessierungstechniken gefertigt werden. Im Rahmen der Arbeit wurden verschiedene Devices mit variierenden Parametern wie Streuerdichte und Größe prozessiert. Die Streuer entstanden dabei durch Ätzen eines zufälligen Musters durch die aktive Zone. Oberflächenemission ist bei Quantenkaskadenlasern aufgrund der Auswahlregeln für Intersubband-Übergänge nur durch spezielle Techniken wie Gitter zweiter Art, photonische Kristalle oder Quasikristalle erreichbar. Als Folge dieser Techniken ist die Emission dann auf eine Wellenlänge beschränkt. Die vorgestellten Random Laser hingegen liefern breitbandige (etwa 350 GHz) Oberflächenemission. Abhängig von der Streuerdichte werden unterschiedliche Ergebnisse erzielt: Laser mit wenigen Streuern weisen ein enges Fernfeld und hohe Maximaltemperatur, jedoch geringe Ausgangsleistung auf, während eine hohe Streuerdichte zu divergentem Fernfeld mit hoher Ausgangsleistung und niedrigerer Maximaltemperatur führt.

Aim of the thesis was the fabrication and characterization of a Terahertz Intersubband Random Lasers. A -Random laser- is a laser that, contrary to a conventional laser, traps the light via multiple scattering rather than in a cavity. As result, the spatial modes are inhomogenously distributed over the active region and produce laser emission with a low spatial coherence. This makes a random laser a suitable light source for imaging purposes since low spatial coherence will suppress artifacts such as pattern produced by mutual interference of a set of coherent wavefronts ("speckles"). In the presented work Quantum Cascade Laser (QCL) active regions emitting at terahertz frequencies were used for the realization of the devices. QCLs are intersubband lasers with quantum mechanically designable frequency. Due to the long wavelength of terahertz radiation and their unipolar operation principle, standard microelectronic processing techniques can be used for the fabrication. Therefore they are perfectly suited for investigating random lasers. The random lasers were fabricated by dry etching a random pattern of disk shaped scatters into a disk device. Different configurations of disk diameter, scatter diameter and number of scatterers (filling fraction) were processed and characterized. One main advantage of the presented devices is the light emission from the laser surface. Due to selection rules for intersubband transitions, conventional cavity designs for vertical surface emission are not suitable for QCLs. Whereas surface emission techniques like 2nd order gratings, photonic crystals or quasicrystals are designed for only one frequency, the presented random lasers show broadband emission with a bandwidth of about 350 GHz. Depending on the scatter density, different results are obtained: A low density leads to a narrow beam pattern with high temperature operation and low output power whereas a high density leads to a divergent beam pattern with reduced temperature performance but high output power of up to 41 mW.