Spectroscopic Applications of Terahertz Quantum-Cascade Lasers PDF Download
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Author: Tasmim Alam
Publisher: Cuvillier Verlag
ISBN: 3736962975
Category : Science
Languages : en
Pages : 132
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Book Description
Quantum cascade lasers (QCLs) are attractive for high-resolution spectroscopy because they can provide high power and a narrow linewidth. They are particularly promising in the terahertz (THz) range since they can be used as local oscillators for heterodyne detection as well as transmitters for direct detection. However, THz QCL-based technologies are still under development and are limited by the lack of frequency tunability as well as the frequency and output power stability for free-running operation. In this dissertation, frequency tuning and linewidth of THz QCLs are studied in detail by using rotational spectroscopic features of molecular species. In molecular spectroscopy, the Doppler eff ect broadens the spectral lines of molecules in the gas phase at thermal equilibrium. Saturated absorption spectroscopy has been performed that allows for sub-Doppler resolution of the spectral features. One possible application is QCL frequency stabilization based on the Lamb dip. Since the tunability of the emission frequency is an essential requirement to use THz QCL for high-resolution spectroscopy, a new method has been developed that relies on near-infrared (NIR) optical excitation of the QCL rear-facet. A wide tuning range has been achieved by using this approach. The scheme is straightforward to implement, and the approach can be readily applied to a large class of THz QCLs. The frequency and output stability of the local oscillator has a direct impact on the performance and consistency of the heterodyne spectroscopy. A technique has been developed for a simultaneous stabilization of the frequency and output power by taking advantage of the frequency and power regulation by NIR excitation. The results presented in this thesis will enable the routine use of THz QCLs for spectroscopic applications in the near future.
Author: Tasmim Alam
Publisher: Cuvillier Verlag
ISBN: 3736962975
Category : Science
Languages : en
Pages : 132
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Book Description
Quantum cascade lasers (QCLs) are attractive for high-resolution spectroscopy because they can provide high power and a narrow linewidth. They are particularly promising in the terahertz (THz) range since they can be used as local oscillators for heterodyne detection as well as transmitters for direct detection. However, THz QCL-based technologies are still under development and are limited by the lack of frequency tunability as well as the frequency and output power stability for free-running operation. In this dissertation, frequency tuning and linewidth of THz QCLs are studied in detail by using rotational spectroscopic features of molecular species. In molecular spectroscopy, the Doppler eff ect broadens the spectral lines of molecules in the gas phase at thermal equilibrium. Saturated absorption spectroscopy has been performed that allows for sub-Doppler resolution of the spectral features. One possible application is QCL frequency stabilization based on the Lamb dip. Since the tunability of the emission frequency is an essential requirement to use THz QCL for high-resolution spectroscopy, a new method has been developed that relies on near-infrared (NIR) optical excitation of the QCL rear-facet. A wide tuning range has been achieved by using this approach. The scheme is straightforward to implement, and the approach can be readily applied to a large class of THz QCLs. The frequency and output stability of the local oscillator has a direct impact on the performance and consistency of the heterodyne spectroscopy. A technique has been developed for a simultaneous stabilization of the frequency and output power by taking advantage of the frequency and power regulation by NIR excitation. The results presented in this thesis will enable the routine use of THz QCLs for spectroscopic applications in the near future.
Author: Pierre Gellie
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : en
Pages : 155
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Book Description
La mise au pint de sources térahertz (THz) dont les propriétés spectrales sont contrôlées est devenu un enjeu important dans plusieurs domaines. Notamment pour des applications comme la spectroscopie de haute résolution, l'imagerie avec haut rapport signal sur bruit ou bien la détection hétérodyne de grande sensibilité. C'est dans ce contexte que se situent mes travaux de thèse. En particulier je me suis penché sur les sources laser à cascade quantique (LCQ) Thz. Dans un premier temps, j'ai montré comment, en modulant un LCQ à une fréquence proche de l'intervalle spectral libre, l'on obtient le verrouillage mutuel des modes du LCQ. Ensuite, j'ai développé une technique de verrouillage de phase du LCQ se basant sur un laser femto-seconde à 1550nm et une détection électro-optique. J'ai ainsi montré que, lorsque la boucle de verrouillage est fermée, la largeur spectrale d'un LCQ à 2.5THZ est inférieure à 1Hz. J'ai ensuite démontré, grâce à une technique optique asynchrone, que l'on peut échantillonner le champ électrique émis par un LCQ fonctionnant en régime de verrouillage de modes. J'ai ainsi pu mesurer une durée impulsion de 10ps pour un LCQ ayant 10 modes longitudinaux au-dessus du seuil, avec un pas d'échantillonnage de 2.3ps. Dans le dernier chapitre de la thèse je me suis intéressé au développement d'une cavité étendue à base d'un LCQ THz. Dans un premier temps, j'ai démontré que la réfléctivité d'une facette d'un LCQ peut être réduite à quelques pourcents en polissant celle-ci à l'angle de Brewster ou bien en déposant une couche antireflet à base de Parylène. Enfin, j'ai développé des LCQ à contre-réaction répartie, afin d'obtenir une émission monomode à haute puissance en régime continu.
Author: Dimitri Oustinov
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 156
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Book Description
Ce travail présente une étude de lasers à cascade quantique à l'aide de la spectroscopie THz dans le domaine temporel. Cette technique expérimentale consiste en la détection de champs électriques THz permettant ainsi d’étudier des effets à la fois statiques et dynamiques dans les semiconducteurs. Les lasers à cascade quantique THz sont des structures multipuits considérées comme des dispositifs prometteurs pour combler le manque de sources dans l’infrarouge lointain. Dans l’étude statique, nous avons mesuré le spectre du gain de différents échantillons et avons pu identifier les transitions électroniques intersousbandes responsables du gain et des pertes. Nous avons aussi constaté un rétrécissement du spectre du gain dans ces lasers dont nous expliquons l’origine. Dans l’étude dynamique, nous avons effectué une commutation du gain dans un laser à cascade quantique afin d'exploiter son régime non stationnaire pour amplifier une onde THz dans un milieu présentant un gain élevé sans être limité aux pertes totales au-dessus du seuil. Un interrupteur optique de type Auston a été utilisé pour y parvenir. Finalement, un contrôle électrique du déclenchement d’un laser au-dessus du seuil nous a permis de mesurer l’émission cohérente d’un laser THz par spectroscopie dans le domaine temporel. Le contrôle de la phase du laser a été rendu possible grâce à un amorçage de ce dernier par une impulsion THz à spectre large
Author: Jean Maysonnave
Publisher:
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Languages : fr
Pages : 0
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Book Description
La gamme des ondes terahertz (THz) se situe à l'interface des domaines électronique et optique. Malgré un potentiel d'applications élevé, elle souffre d'un manque de dispositifs performants. Dans ce cadre, cette thèse se concentre sur l'étude fondamentale et la réalisation de nouvelles fonctionnalités associées à différentes sources THz, en utilisant la spectroscopie THz dans le domaine temporel (TDS). Cet outil puissant permet de mesurer le profil temporel d'un champ électrique THz et est utilisé pour explorer l'émission THz de lasers à cascade quantique (LCQ) et de graphène.Dans une première partie, la réponse ultrarapide de LCQs est étudiée. Un contrôle de la phase du champ électrique de LCQs THz via la technique "d'injection seeding" est réalisé puis optimisé. Il nous permet de mesurer le profil temporel de l'émission laser. A l'appui de cette expérience et de simulations, une description quantitative de la dynamique du gain est faite. Ces informations sont critiques pour la production d'impulsions courtes. Une modulation rapide du gain de LCQ est ensuite réalisée et conduit à la génération d'impulsions courtes (durée ~ 15 ps) en régime de blocage de modes. Ces études permettent notamment d'envisager les LCQs comme sources puissantes pour la TDS. Dans une seconde partie, nous montrons que le graphène peut émettre un rayonnement THz sous excitation optique par un effet non linéaire d'ordre 2. Cette émission résulte d'un transfert de quantité de mouvement des photons aux électrons du graphène ("photon drag"). Elle permet ainsi d'explorer des propriétés subtiles du graphène, telles que de très faibles différences de comportement entre les électrons et trous photogénérés.
Author: Sushil Kumar (Ph. D.)
Publisher:
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Category :
Languages : en
Pages : 340
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Book Description
The terahertz or the far-infrared frequency range of the electromagnetic spectrum (...) has historically been technologically underdeveloped despite having many potential applications, primarily due to lack of suitable sources of coherent radiation. Following on the remarkable development of mid-infrared (...) quantum-cascade lasers (QCLs) in the past decade, this thesis describes the development of electrically-pumped terahertz quantum-cascade lasers in GaAs/AlsGal_. As heterostructures that span a spectral range of 1.59 - 5.0 THz (...). A quantum-cascade laser (QCL) emits photons due to electronic intersubband transitions in the quantum-wells of a semiconductor heterostructure. The operation of terahertz QCLs at frequencies below the Reststrahlen band in the semiconductor (...), is significantly more challenging as compared to that of the mid-infrared QCLs. Firstly, due to small energy separation between the laser levels various intersubband scattering mechanisms are activated, which make it difficult to selectively depopulate the lower laser level. Additionally, as electrons gain enough kinetic energy in the upper laser level thermally activated longitudinal-optical (LO) phonon scattering reduces the level lifetime and makes it difficult to sustain population inversion at higher temperatures. Secondly, waveguide design for terahertz mode confinement is also more challenging due to higher free-carrier losses in the semiconducting doped regions at the terahertz frequencies. For successful designs reported in this work, the lower radiative state depopulation is achieved by a combination of resonant-tunneling and fast LO phonon scattering, which allow robust operation even at relatively high temperatures. An equally important enabling mechanism for these lasers is the development of metal-metal waveguides, which provide low waveguides losses, and strong mode confinement due to subwavelength mode localization in the vertical dimension. With these techniques some record performances for terahertz QCLs are demonstrated including the highest pulsed operating temperature of 169 K, the highest continuous-wave (cw) operating temperature of 117 K, and the highest optical power output (248 mW in pulsed and 138 mW in cw at 5 K) for any terahertz QCL. Towards the bigger goal of realizing a 1-THz solid-state laser to ultimately bridge the gap between electronic and optical sources of electromagnetic radiation, QCLs with a unique one-well injection scheme, which minimizes intersubband absorption losses that occur at longer wavelengths, are developed. Based on this scheme a QCL operating at 1.59 THz (A - 189 ym) is realized, which is amongst the lowest frequency solid-state lasers that operate without the assistance of a magnetic field. This thesis also reports on the development of distributed-feedback lasers in metal-metal waveguides to obtain single-mode operation, with greater output power and better beam quality. The subwavelength vertical dimension in these waveguides leads to a strongly coupled DFB action and a large reflection from the end-facets, and thus conventional coupled-mode theory is not directly applicable to the DFB design. A design technique with precise control of phase of reflection at the end-facets is developed with the aid of finite-element analysis, and with some additional unique design and fabrication methods, robust DFB operation has been obtained. Single-mode surface-emitting terahertz QCLs operating up to - 150 K are demonstrated, with different grating devices spanning a range of approximately 0.35 THz around v - 3 THz using the same gain medium. A single-lobed far-field radiation pattern, higher output power due to surface-emission, and a relatively small degradation in temperature performance compared to the Fabry-Perot ridge lasers makes these DFB lasers well suited for practical applications that are being targeted by the terahertz quantum-cascade lasers.
Author: Dan Botez
Publisher: Cambridge University Press
ISBN: 1108570607
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 552
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Book Description
Learn how the rapidly expanding area of mid-infrared and terahertz photonics has been revolutionized in this comprehensive overview. State-of-the-art practical applications are supported by real-life examples and expert guidance. Also featuring fundamental theory enabling you to improve performance of both existing and future devices.
Author: Martin F. Schubert
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : en
Pages : 94
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Book Description
Author: Saeed Fathololoumi
Publisher:
ISBN:
Category : Semiconductor lasers
Languages : en
Pages : 228
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Book Description
Author: Jae Hyun Kim
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : en
Pages : 200
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Book Description
Author: Yoann Petitjean
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 163
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Book Description
La région du spectre électromagnétique comprise entre 300 GHz et 10 THz a longtemps été surnommée « gap Térahertz ». En effet, les sources et détecteurs dans cette gamme de fréquences étaient éparses, peu performants, coûteux et/ou encombrants jusqu'à l’invention du laser à cascade quantique (QCL pour Quantum Cascade laser). De nombreuses équipes de recherche se concentrent sur l’amélioration des performances des QCLs, notamment l'augmentation de la température de fonctionnement maximale car cette source ouvre la voie vers de nouvelles applications comme les oscillateurs locaux à très haute fréquence, l’imagerie médicale, sécuritaire ou encore les télécommunications sans fil à haut débit. Toutes ces applications requièrent une connaissance poussée des performances des QCLs modélisés et caractérisés au sein de cette thèse. Le premier chapitre expose les propriétés et les applications des ondes Térahertz évoquées précédemment ainsi qu'un état de l’art des QCLs. Le second chapitre porte sur la modélisation des QCLs. Un premier modèle est exploité afin de dégager les caractéristiques statiques et dynamiques des QCLs. Un autre modèle prenant en compte la structure en cascade des QCL est ensuite introduit, menant à une nouvelle fonction de transfert, un calcul du délai à l’allumage et une étude du bruit d’intensité relatif. Le troisième et dernier chapitre traite de la partie expérimentale de cette thèse avec la particularité et les difficultés de mesures dans le domaine Térahertz, la caractérisation statique et les moyens de caractérisation dynamique des QCLs, accompagnée de la présentation d’un testeur sous pointe cryogénique opto-micro-onde conçu dans le cadre de cette thèse.
