Terahertz lasing without inversion based on quantum coherence between intersubband transitions: Gain and lasing

• Antragsteller: Professor Dr. Holger Grahn
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 157945823

Das gemeinsame Forschungsziel der Gruppen am Paul-Drude-Institut (PDI) und an der Humboldt- Universität zu Berlin (HUB) ist der Nachweis der Laseremission auf der Basis von Verstärkung durch Quantenkohärenz sowie ein umfassendes Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Prozesse. Das geplante System besteht aus einem Hochleistungs- Quantenkaskadenlaser (QCL) im mittleren Infrarotbereich (MIR) zum Pumpen und einem optisch gepumpten, elektrisch getriebenen Terahertz-Quantenlaser (TQL). Die Zielstellungen der PDIGruppe sind eine adäquate Beschreibung des Wechselspiels von kohärenten und dissipativen sowie Dephasierungsprozessen in TQL-Strukturen, die Implementierung eines Modells und der Nachweis von verbesserten TQL-Strukturen mit erhöhter Verstärkung und verbesserter interner Kopplung des Pumplichts mit den entsprechenden Übergängen. Schließlich werden die kohärenten und dissipativen Prozesse in TQLs analysiert. In Zusammenarbeit mit der Gruppe ander HUB werden wir geeignete Methoden für die externe Kopplung des Pumplichts in den TQL entwickeln und arbeiten auf den Nachweis der Laseremission des vollständigen Systems. Für eine adäquate Beschreibung des Wechselspiels von kohärenten und dissipativen sowie Dephasierungsprozessen in TQL-Strukturen werden wir die Maxwell-Bloch-Gleichungen mit einer Verallgemeinerung von Fermis Goldener Regel verknüpfen. Die erste Zielstellung besteht darin, dieses Modell numerisch umzusetzen, was zu einer erheblichen Verbesserung des Entwurfs von TQL-Strukturen führen sollte. Insbesondere muss die Entwurfsstrategie die Optimierung der Verstärkung auf Grund der Quantenkohärenz einschließen. Wir werden mehrere Strukturen entwickeln, realisieren und untersuchen, die eine unterschiedliche Anzahl von relevanten Zuständen, Injektoreigenschaften und Betriebsfeldstärken besitzen. Die weiterentwickelten Entwürfe konzentrieren sich auf eine weitere Verbesserung der internen Kopplungseffizienz des MIR-Pumplichts, auf eine größere optische Verstärkung und auf die vollständige Unterdrückung von Strominstabilitäten im Bereich der Betriebsfeldstärken. In Zusammenarbeit mit der Gruppe an der HUB werden wir die Entwürfe für die MIR-Pump-QCLs und die TQL-Strukturen abstimmen, so dass eine bessere Anpassung der Emissionswellenlänge des QCLs an die Anregungswellenlänge des TQLs erreicht werden kann. Für die Analyse der kohärenten und dissipativen Prozesse in TQLs erwarten wir durch den Vergleich der Ergebnisse der Simulationen mit denen der experimentellen Untersuchungen, die Laseremission auf Grund von konventioneller Verstärkung von der Laseremssion auf Grund von Verstärkung durch Quantenkohärenz unterscheiden zu können. Zusätzlich zu der Verbesserung der internen Kopplungseffizienz beabsichtigen wir auch die externe Kopplung des Pumpstrahls in den TQL durch die Entwicklung von Gittern höherer Ordnung mit lateraler Kopplung zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Pulsed CO2 Laser
• Gerätegruppe: 5710 Gas-Laser