Optimierung der Laserverstärkung in Terahertz-Quantenkaskadenlasern

• Antragsteller: Yuri Victorovich Flores, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 299273829

Ziel des Forschungsprojekts ist die Untersuchung und Anwendung neuartiger Strategien zum Design von Terahertz Quantenkaskadenlasern (THz QKLs) mit erhöhter Laserverstärkung. Eine höhere Laserverstärkung wirkt sich auf eine bessere Laserperformance (hohe Energieeffizienz, hohe optische Leistung, niedrige Betriebstemperatur) aus. Diese Lasereigenschaften sind ausschlaggebend für die weitere Entwicklung von Terahertz-basierten Technologien und Anwendungen, welche im Grenzbereich zwischen Optik und Elektronik angesiedelt sind. THz QKLs stellen bei weitem die beste Kombination von Leistung und Kompaktheit bei Terahertz-Laserquellen. Seit ihrer Erfindung im Jahr 2002, wurde der Emissionsfrequenzbereich von THz QKLs auf 1-10 THz ausgeweitet. Beste Laserperformances wurden im Frequenzbereich 2-5 THz festgestellt. Die Performance von THz QKLs ist jedoch bis heute begrenzt auf niedrige optische Leistungen (< 1 W) und Betriebstemperaturen unter 200 K. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens werden wir unterschiedliche Aspekte der THz QKLs-Physik untersuchen wie das Design der Laserniveaus, der Elektroneninjektion, der Elektronenextraktion, sowie die Besetzungsinversion. Erstens werden wir ein Modell zur realistischen Beschreibung des Elektronentransports in THz QKLs aufstellen. Dieses Modell soll nicht-strahlende Streumechanismen integrieren, die durch die Rauigkeiten der Kristallschichten hervorgerufen werden. Außerdem wird dieses model Effekte von "heißen" Elektronen in THz QKLs berücksichtigen. Diese sind Elektronen im Halbleiter, die eine höhere Temperatur fühlen als die Kristalltemperatur. Zweitens werden wir verschiedene Ansätze untersuchen um die optische Verstärkung in THz QKLs zu erhöhen, indem wir die vorher erwähnten Effekte gezielt anpassen. Zum Schluss werden wir neue Designs für THz QKLs mit erhöhter Laserverstärkung vorschlagen und experimentell demonstrieren. Dabei konzentrieren wir uns auf das GaAs-AlGaAs Halbleiter-Heterosystem sowie auf neuartige Materialsysteme wie InGaAs/InAlAs und InGaAs/InGaAs.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Qing Hu, Ph.D.