Spectrally flexible opto-electronic terahertz light

Abstract

The terahertz region is a part of the electromagnetic spectrum with increasing scientific interest. Different approaches, including resonant tunneling diodes, gas lasers, and quantum cascade lasers, have been utilized to generate terahertz radiation. However, precise frequency tunability and on-demand spectral synthesis remain challenging.The focus of this work is to develop a flexible terahertz source that can meet various application requirements with a single tunable system. The combination of photomixers and electro-optic modulators is proposed as a solution. Photomixers are room-temperature terahertz sources that generate light through the beating of two near-infrared lasers. The modulators in the near-infrared domain are used to achieve spectral flexibility, which is transferred to the terahertz domain. Based on these principles, a spectrally flexible frequency synthesizer is realized. It can also be used to generate frequency combs, a set of phase coherent and equidistant frequency lines, which is challenging in the terahertz domain. This terahertz opto-electronic frequency comb light source offers flexibility in terms of the number of comb lines, their spacing, and their position within the terahertz range.Furthermore, a versatile platform for molecular gas sensing in the terahertz range is developed. By combining the spectrally adaptable light source with miniaturized waveguide gas cells provides sensitivity, compactness and flexibility. These substrate-integrated hollow waveguides have already shown promise in mid-infrared and ultraviolet gas sensing and are now implemented in a terahertz system for the first time. The sensing potential is demonstrated through the measurement of rotational transitions of the important greenhouse gas nitrous oxide (N2O).

Der Terahertzbereich ist ein Teil des elektromagnetischen Spektrums, der für die Wissenschaft von zunehmendem Interesse ist. Verschiedene Ansätze wie resonante Tunneldioden, Gaslaser und Quantenkaskadenlaser wurden bereits zur Erzeugung von Terahertz-Strahlung eingesetzt. Eine präzise Frequenzabstimmung und eine bedarfsgerechte Spektralsynthese stellen jedoch nach wie vor eine Herausforderung dar. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung einer flexiblen Terahertz-Quelle, die verschiedene Anwendungsanforderungen mit einem einzigen durchstimmbaren System erfüllen kann. Als Lösung wird die Kombination von Photomischern und elektro-optischen Modulatoren vorgeschlagen. Photomischer sind Terahertz-Quellen bei Raumtemperatur, die Licht durch das Interferenzsignal von zwei Nahinfrarot-Lasern erzeugen. Die Modulatoren im Nahinfrarotbereich werden verwendet, um eine spektrale Flexibilität zu erreichen, die in den Terahertzbereich transferiert wird. Basierend auf diesen Prinzipien wird ein spektral flexibler Frequenzsynthesizer realisiert. Er kann auch zur Erzeugung von Frequenzkämmen verwendet werden, einer Reihe von phasenkohärenten und äquidistanten Frequenzlinien, was im Terahertz-Bereich eine Herausforderung darstellt. Diese opto-elektronische Terahertz-Frequenzkamm-Lichtquelle bietet Flexibilität in Bezug auf die Anzahl der Kammlinien, ihren Abstand und ihre Position innerhalb des Terahertzbereichs.Darüber hinaus wird eine vielseitige Plattform für die molekulare Gassensorik im Terahertzbereich entwickelt. Durch die Kombination der spektral anpassbaren Lichtquelle mit miniaturisierten Hohlleiter-Gaszellen werden Empfindlichkeit, Kompaktheit und Flexibilität erreicht. Diese substratintegrierten Hohlwellenleiter haben sich bereits in der Gassensorik im mittleren Infrarot und Ultraviolett bewährt und werden nun erstmals in einem Terahertz-System eingesetzt. Das Potenzial für Spektroskopie wird anhand der Messung von Rotationsübergängen des wichtigen Treibhausgases Distickstoffoxid (N2O) demonstriert.