Terahertz nonlinear detection and quantum optical studies by resonant two-photon transitions in semiconductor quantum wells
Final Report Abstract
Terahertz-Frequenzen (1 THz = 10^12 Hz) liegen oberhalb der in der Elektronik und unterhalb der in der Optik genutzten Frequenzen. Der THz-Bereich ist interessant für eine Reihe bedeutender Anwendungen z.B. in der Sicherheitstechnik, Medizin sowie der zerstörungsfreien Materialprüfung und stellt daher ein wichtiges Forschungsgebiet dar. So wurden in den letzten Jahren eine Vielzahl von Bauelementen (THz-Emitter, -Laser, -Detektoren, -Modulatoren, -Optiken) entwickelt und demonstriert. Ziel des vorliegenden Projekts war die Entwicklung optisch nichtlinearer THz-Detektoren, bei denen das Photostromsignal quadratisch von der eingestrahlten Leistung abhängt. Aufgrund dieser Eigenschaft reagiert das Detektorsignal auf den zeitlichen Verlauf der THz-Strahlung; z.B. führen zwei gleichzeitig eintreffende Laserpulse zu einem höheren zeitintegrierten Photostrom als wenn sie nacheinander eingestrahlt werden. Aus diesem Grund lassen sich diese Detektoren insbesondere zur Charakterisierung der zeitlichen Form (genauer: der quadratischen Autokorrelation) kurzer THz-Pulse im Femto- bis Pikosekundenbereich verwenden. Nachdem in Voruntersuchungen ein quadratischer THz-Detektor für den Bereich um 7 THz (29,5 meV Übergangsenergie) demonstriert worden war, bestand ein Projektziel darin, Detektoren für kleinere Frequenzen zu realisieren. Zur Erzielung einer optimalen Nachweisempfindlichkeit verwendet unser Ansatz die resonante Zweiphotonenabsorption zwischen drei energetisch äquidistanten Subbändern in GaAs/AlGaAs Quantenfilmen. In numerischen Simulationen wurden zunächst die Schichtparameter derartiger GaAs/AlGaAs Quantenfilme optimiert, anschließend wurden darauf basierende Detektorstrukturen realisiert. Die experimentellen Arbeiten konzentrierten sich einerseits auf die Charakterisierung der linearen optoelektronischen Eigenschaften (Dunkelstrom, Photostrom, spektrale Abhängigkeit, Temperaturverhalten) dieser Detektoren, andererseits wurden die nichtlinearen Eigenschaften mit Hilfe eines Freie-Elektronenlasers untersucht und bewertet. Basierend auf den Messergebnissen wurden die Modellrechnungen weiter verfeinert und dazu genutzt, optimierte Probenstrukturen zu erstellen und auf diese Weise bessere Detektoreigenschaften zu demonstrieren. Experimentell ergab sich die Schwierigkeit, dass dem erwünschten Zweiphoton-Photostrom bei kleineren Übergangsfrequenzen zusätzliche, vorwiegend lineare Photostromanteile überlagert sind, die zu einer reduzierten Nichtlinearität führen. Dieses Verhalten resultiert hauptsächlich daraus, dass die beteiligten Subbänder mit abnehmender Übergangsenergie nicht mehr genügend stark energetisch voneinander getrennt sind. Nichtlineare THz-Detektion wurde bis zu einer Frequenz von 4,4 THz (18 meV) demonstriert; allerdings war die Nichtlinearität dann nur noch schwach ausgeprägt, wodurch die Autokorrelation einen starken linearen Beitrag aufwies. Die experimentell bestimmten Intersubband-Übergangsenergien entsprachen im Wesentlichen den Erwartungen; es waren allerdings Vielteilchenkorrektoren notwendig, um diese Energien theoretisch zu beschreiben. Zusätzlich wurden im Energiebereich der optischen Phononen weitere Photostrombeiträge gefunden, die auf eine unerwartet starke Kopplung zwischen phononischen und elektronischen Anregungen, sogenannte Intersubband-Polaronen, hindeuten. Durch Variation der optischen Einkoppelgeometrie wurde eine Konfiguration realisiert, bei der das mit Abstand stärkste Detektorsignal durch Photonen im Energiebereich der longitudinal-optischen Phononen erzeugt wurde. Dies ist insofern bemerkenswert, als optische Phononen normalerweise zu Verlusten bei der Detektion führen, während sie in diesem Spezialfall ein ausgesprochen intensives Detektorsignal hervorrufen.
Publications
- Nonlinear terahertz spectroscopy of semiconductor quantum structures, 2. IR-ON Symposium: InfraRed Optical Nanostructures, 10.03.2011, Wien, Österreich
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- Terahertz interlevel spectroscopy of quantum well excitons, The 12th International Conference on Intersubband Transitions in Quantum Wells - ITQW 2013, 15.-20.09.2013, Bolton Landing, NY, USA
Schneider, H.; Bhattacharyya, J.; Zybell, S.; Winnerl, S.; Helm, M.
- Magnetic control of Coulomb scattering and terahertz transitions among excitons. Physical Review B 89 (2014), 125313
Bhattacharyya, J.; Zybell, S.; Eßer, F.; Helm, M.; Schneider, H.; Schneebeli, L.; Böttge, C. N.; Breddermann, B.; Kira, M.; Koch, S. W.
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevB.89.125313) - QWIP-Based “Ultrafast” Detectors for QCL Research, International Quantum Cascade Laser School and Workshop 2014 (IQCLSW2014), 07.-12.09.2014, Policoro (Matera), Italien
Schneider, H.
- Two-photon quantum well infrared photodetectors below 6 THz. Infrared Physics and Technology 70 (2015), 30-33
Franke, C.; Walther, M.; Helm, M.; Schneider, H.
(See online at https://dx.doi.org/10.1016/j.infrared.2014.08.012) - Two-photon quantum well photodetectors for the THz regime, The 13th International Conference on Intersubband Transitions in Quantum Wells (ITQW'2015), 06.-11.09.2015, Wien, Österreich
Franke, C.; Walther, M.; Helm, M.; Schneider, H.
