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Investigations of the generation of tunable continuous-wave terahertz radiation and its spectroscopic applications

Park, Icksoon :
Investigations of the generation of tunable continuous-wave terahertz radiation and its spectroscopic applications.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2007)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Investigations of the generation of tunable continuous-wave terahertz radiation and its spectroscopic applications
Language: English
Abstract:

In this work the generation of tunable continuous-wave (CW) terahertz (THz) radiation via photomixing of two modes emitted from a frequency-tunable dual-mode external cavity semiconductor laser is investigated. In order to realize frequency-tunable dual-mode semiconductor lasers (SLs), two concepts are developed. They are based on two double-external-cavity configurations comprising spectrally filtered feedback mechanisms: Double-Littman-configuration and Double-Littrow-configuration. Stable dual-mode emission is realized by employing narrow stripe SLs as gain medium in these configurations. Each of the modes is a single external cavity mode that can be tuned independently over the entire gain spectrum. The difference frequency of the two modes can be changed from 100 GHz to 10 THz. By using these laser-configurations, frequency-tunable CW THz radiation is generated via photomixing of the two laser modes on micro-structured antennas. Two types of antennas are employed to generate THz radiation: a log-periodic antenna and a H-dipole antenna. The generated THz radiation is temporally and spectrally characterized. Measurements using a Fourier-Transform-Spectrometer confirm a single THz spectrum with a narrow linewidth and a frequency corresponding to the difference frequency of the two incident laser modes. The frequency dependence of the performance and polarization of THz radiation follows the frequency-characteristics of the used antennas. Generated THz radiation is applied for spectroscopic demonstrations, including THz transmission of non-metallic materials and identification of absorption lines of HCl and water vapor. To achieve high power dual-mode emission, broad area semiconductor lasers (BALs) are used as the gain medium in a Double-Littman-configuration. Also with BALs in this configuration frequency-tunable dual-mode operation is achieved. Furthermore, longitudinal and lateral modes of the BAL can be controlled by applying a mechanism of spectrally and spatially filtered feedback in the external cavity. By photomixing of two modes emitted from the dual-mode BAL on antennas, THz radiation is generated and characterized. In addition, the simultaneous oscillation of two modes induces the four-wave mixing (FWM) process due to nonlinear interactions of the intense optical field and the semiconductor medium. FWM phenomena observed for dual-mode operation of narrow stripe SL are studied in detail. Ultrafast carrier dynamics such as carrier heating and spectral hole burning are responsible for FWM process in the detuning range of several hundred GHz. Finally, direct generation of THz radiation in dual-mode-BAL is investigated. The results achieved in this work show that frequency-tunable dual-mode external cavity semiconductor lasers provide generation of temporally and spectrally stable, frequency-tunable CW THz radiation via photomixing.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In dieser Arbeit wird die Erzeugung durchstimmbarer Dauerstrich-Terahertz (THz)-Strahlung unter Verwendung von Photomischen der beiden Moden eines frequenzdurchstimmbaren Zwei-Moden-Halbleiterlasers mit externen Resonatoren untersucht. Um frequenzdurchstimmbare Zwei-Moden-Halbleiterlaser zu realisieren, werden in dieser Arbeit zwei Konzepte entwickelt. Diese Konzepte basieren auf zwei externen Doppelresonator-Konfigurationen, die einen spektral selektiven Rückkopplungsmechanismus beinhalten: Doppel-Littman-Konfiguration und Doppel-Littrow-Konfiguration. Unter Verwendung von Schmalstreifen-Halbleiterlasern als Verstärkungsmedium wird stabile Zwei-Moden-Emission realisiert. Bei beiden Moden handelt es sich um externe Resonatormoden, die unabhängig voneinander auf dem ganzen Verstärkungsspektrum abgestimmt werden können. Die Differenzfrequenz beider Moden kann von 100 GHz bis 10 THz variiert werden. Unter Verwendung dieser Laserkonfigurationen wird frequenzdurchstimmbare THz-Strahlung durch Photomischen zweier Lasermoden auf Mikrostruktur-Antennen generiert. Zwei Sorten von Antennen werden für die Erzeugung von THz-Strahlung verwendet: eine logarithmisch-periodische Antenne und eine H-Dipolantenne. Die erzeugte THz-Strahlung wird zeitlich und spektral charakterisiert. Messungen mit dem Fourier-Spektrometer bestätigen einen einzelnen THz-Peak mit einer schmalen Linienbreite und einer Frequenz, die der Differenzfrequenz der eingestrahlten optischen Moden entspricht. Die Frequenzabhängigkeit von Leistung und Polarisation der THz-Strahlung folgt den Frequenzcharakteristiken der verwendeten Antennen. Die erzeugte THz-Strahlung wird für spektroskopische Anwendungen eingesetzt, wie THz-Transmission von nichtmetallischen Materialen und Identifizierung von Absorptionslinien von HCl und Wasserdampf. Um Zwei-Moden-Emission mit hoher Leistung zu erzielen, werden Breitstreifenhalbleiterlaser (BALs) als Verstärkungsmedium in einer Doppel-Littman-Konfiguration verwendet. Auch mit BALn in dieser Konfiguration wird frequenzdurchstimmbarer Zwei-Moden-Betrieb erzielt. Darüber hinaus können longitudinale und laterale Moden von BALn durch spektrale und räumliche Filterungsmechanismen im externen Resonator kontrolliert werden. Es wird THz-Strahlung durch Photomischen zweier Moden aus dem Zwei-Moden-BAL auf Antennen erzeugt und charakterisiert. Zusätzlich bewirkt das simultane Anschwingen zweier Moden ein Vier-Wellen-Mischen (FWM), das aus der nichtlinearen Wechselwirkung vom starken optischen Feld mit dem Halbleitermedium entsteht. Die FWM- Phänomene, die bei der Zwei-Moden-Emission in Schmalstreifenlasern entstehen, werden im Detail untersucht. Hierbei sind ultraschnelle Ladungsträgerprozesse, wie Ladungsträgeraufheizung und spektrales Lochbrennen, für die nichtlinearen optischen Effekte in der Verstimmungsfrequenz von einigen hundert GHz verantwortlich. Zum Schluß wird eine Direkterzeugung von THz-Strahlung in Zwei-Moden-BAL untersucht. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse zeigen, dass zeitlich und spektral stabile, frequenzdurchstimmbare Dauerstrich-THz-Strahlung durch Photomischen zweier Moden aus einem frequenzdurchstimmbaren Zwei-Moden-Halbleiterlaser erzeugt werden kann.German
Uncontrolled Keywords: semiconductor laser, broad area laser, dual-mode emission, external cavity laser, tunable laser, terahertz radiation, photomixing, terahertz spectroscopy, four-wave mixing
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
semiconductor laser, broad area laser, dual-mode emission, external cavity laser, tunable laser, terahertz radiation, photomixing, terahertz spectroscopy, four-wave mixingEnglish
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:53
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000871
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-8715
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Elsäßer, Prof.Dr. Wolfgang and Meißner, Prof.Dr. Peter
Advisors: Elsäßer, Prof.Dr. Wolfgang
Refereed: 29 January 2007
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/871
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