Nichtlineare optische Metaoberflächen zur Erzeugung von Terahertz-Differenzfrequenzen

• Antragsteller: Professor Dr. Mikhail Belkin, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 506515587

Ziel des Projekts ist es, nichtlineare optische Metaoberflächen für eine breit abstimmbare kontinuierliche Terahertz-Erzeugung zu untersuchen, die die hochfrequenten Einschränkungen von Terahertz-Photomixern überwinden können. Das Funktionsprinzip der vorgeschlagenen Metaoberflächen basiert auf der Kopplung elektromagnetischer Moden in Nanoresonatoren mit Intersubbandübergängen in Multi-Quanten-Well-Halbleiter-Heterostrukturen, die für eine riesige nichtlineare Antworten optimiert wurden. Wir haben kürzlich sehr große nichtlineare Antworten in ähnlichen Strukturen für Frequenzverdopplung und die Erzeugung der Differenzfrequenz im mittleren Infrarot-Spektralbereich demonstriert. Unsere Berechnungen zeigen, dass wir ca. 1 Mikrometer dicke Metaoberflächen für Terahertz-Differenzfrequenz Erzeugung mit einer nichtlinearen Suszeptibilität zweiter Ordnung im Bereich von 10^6-10^7 pm/V herstellen können. Das übertrifft die derzeit für Terahertz-Differenzfrequenz Erzeugung genutzten nichtlinearen Kristalle um 4 Größenordnungen. Solche optisch dünnen, hoch nichtlinear Metaoberflächen wären in der Lage, Terahertz-Strahlung durch effiziente Differenzfrequenzmischung ohne Phasenanpassungsbeschränkungen und daraus resultierende Bandbreitenbeschränkungen der drei dimensionalen Kristalle, zu erzeugen. Experimentell werden die Metaoberflächen in einer, den Photomixern vergleichbaren, Konfiguration arbeiten: Zwei kommerziell erhältliche Halbleiterlasern (in unserem Fall Quantenkaskadenlaser im mittleren Infrarot) werden als optische Pumpen zum Frequenzmischen verwendet. Im Gegensatz zu Photomixern, die bei Frequenzen über ~2,5 THz aufgrund von Elektronenlaufzeiten und Beschränkungen durch die RC-Zeitkonstante schlecht abschneiden, erwarten wir jedoch, dass die vorgeschlagenen Metaoberflächen dauerstich Terahertz-Leistungen im Bereich von 0,1-1 mW im 2-6 THz-Spektralbereich erzeugen. Die Ergebnisse dieses Projekts können zur Realisierung kompakter breit abstimmbarer Terahertz-Quellen oder Terahertz-Frequenzkämmen führen, deren Leistung die von Photomixern im Spektralbereich von 2-6 THz um mehrere Größenordnungen übersteigt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen