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Phase-locking of terahertz quantum cascade lasers

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Strahlung im Terahertzbereich erfassen

EU-finanzierte Wissenschaftler haben die Technologien der Terahertzlaser mit optischen ultraschnellen Verfahren kombiniert, um ein Hybrid-Quellenerfassungssystem zu erschaffen. Es soll überaus wichtige Vorteile für Spektroskopieanwendungen bieten.

Industrielle Technologien

Der Terahertz-Frequenzbereich, der einen mittleren Bereich zwischen Mikrowellen und Infrarotlicht einnimmt, hat einzigartige Anwendungen in verschiedenen Bereichen, so zum Beispiel in der medizinischen und sicherheitsrelevanten Bildgebung, anzubieten. Und selbst angesichts dieser Chancen bleibt dieser Bereich weitgehend unerforscht. Geräte auf Halbleiterbasis wie etwa der Terahertz-Quantenkaskadenlaser (QCL) stellen einen Durchbruch in der Quellentechnologie dar und tragen dazu bei, die Terahertz-Lücke zu schließen. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts "Phase-locking of terahertz quantum cascade lasers" (TERAPHASE) kombinierten die Wissenschaftler einen Terahertz-QCL mit einem Zeitdomänenspektroskopiesystem (Time-Domain Spectroscopy, TDS), das ultraschnelle Laser zur Erzeugung und Erfassung von Terahertzstrahlung verwendet. Das resultierende System soll ultrakurze, phasenaufgelöste Hochleistungsimpulse erzeugen, die derzeit nur in Großanlagen zur Verfügung stehen. Zusätzlich gewann das Projektteam weitere Einblicke in die ultraschnellen Prozesse in QCL-Lasern und trug dazu bei, Werkzeuge für Spektroskopieanwendungen zu erstellen. Zunächst wollten die Wissenschaftler die QCL-Emissionsphasenverriegelung an einem Femtosekundenlaser durch Injizieren von Licht in seine Resonator demonstrieren. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass eine kohärente Detektion eine spezifische Eigenschaft des Terahertz-TDS ist, erzielten sie eine kohärente Strahlung vom QCL. Auf dieser Grundlage zeichnete das Team mit einer einzigen Messung sowohl Zeit- als auch Frequenzdomäneninformationen auf. Außerdem wurde die Strahlung innerhalb eines schmalen Frequenzbereichs konzentriert, was mit der konventionellen TDS-Technik nicht möglich war. Im Folgenden wurde die Phasenverriegelung dazu eingesetzt, die Modenkopplung und die Terahertzimpulserzeugung an einem QCL zu demonstrieren. TERAPHASE wandte sowohl kohärente als auch nicht kohärente Detektionsverfahren zur Messung modengekoppelter QCL-Impulse an. Das Projekt untersuchte somit nicht nur die Dynamik des elektrischen Felds bei modengekoppelten Lasern, sondern auch die grundlegenden Parameter, welche die Modenkopplung lenken, wie etwa die Lebensdauer der Verstärkung (gain lifetimes). Außerdem ergaben Simulationen mit Verstärkungserholzeiten von ungefähr 15 Pikosekunden, dass die aktive Modenkopplung das beste Verfahren zur Modenkopplung bei QCL war. Das TDS-QCL-System von TERAPHASE wird dann besonders nützlich sein, wenn ein Schmalband-Terahertz-Pumpstrahl in Kombination mit einer Breitband-Terahertz-Sonde erforderlich ist. Die Projektresultate wurden in sechs wissenschaftlichen Veröffentlichungen dokumentiert.

Schlüsselbegriffe

Terahertz, Strahlung, Laser, Quellenerfassungssystem, Spektroskopieanwendungen, Bildverarbeitung, Quantenkaskadenlaser, Phasenverriegelung, Zeitdomänenspektroskopie, ultraschnelle Laser, Impulserzeugung, modengekoppelte Laser, Verstärkung, Lebensdauer,

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