Untersuchungen zur Rückkopplungsinterferometrie mit Quantenkaskadenlasern

Der mittelinfrarote Spektralbereich ist für spektroskopische Anwendungen von großer Bedeutung, da zahlreiche Spurengase in diesem Bereich des Spektrums ihre fundamentalen Absorptionslinien aufweisen. Seit einigen Jahren stehen mit den Quantenkaskadenlasern (QCL) leistungsstarke, teilweise durchstimmbare Strahlquellen in diesem Bereich zur Verfügung. Die Emission der QCL beruht, anders als bei herkömmlichen Laserdioden, auf Übergängen innerhalb des Leitungsbandes. Der Einfluß dieser neuartigen Struktur und Funktionsweise auf die Eigenschaften der emittierten Strahlung ist Thema dieser Arbeit. Dabei wird gezeigt, wie Messtechniken, die im sichtbaren und nahinfraroten Spektralbereich Anwendung finden, weiterentwickelt und erstmals auf den MIR-Bereich übertragen werden können. Es werden Messungen der Linienbreite sowohl unter Verwendung des Rückkopplungsinterferometers als auch mit einer weiterentwickelten homodynen Messmethode gezeigt. Ebenso wird neben Messungen des Intensitätsrauschens eine neuartige Messmethode vorgestellt um den Linienverbreiterungsfaktor (LVF) zu charakterisieren. Diese Methode wurde auf Basis der Rückkopplungsinterferometrie entwickelt und erlaubt erstmals Messungen dieses Paramters bei Betriebsbedingungen. Dadurch konnte eine Abhängigkeit des LVFs von QCLn von den Betriebsbedingungen Pumpstrom und Temperatur nachgewiesen werden. Desweiteren wurde für diese Messungen ein Aufbau entwickelt, mit dessen Hilfe es erstmalig möglich war den LVF eines Lasers über ein rückkopplungsinterferometrisches Signal zu bestimmen, welches durch einen simultanen Betrieb des Lasers als Emitter und Detektor aufgezeichnet wurde.

The mid-infrared spectral range is of great importance for spectroscopic applications, since many trace gases have their fundamental absorption lines in this region of the spectrum. In the last few years, quantum cascade lasers (QCL) have been established in this area as high performing and partially tunable laser sources. In contrast to conventional laser diodes is the emission of the QCL based on transitions within the conduction band. The influence of this novel structure and operation principle on the characteristics of the emitted radiation is the subject of this work. It is shown how measurement techniques from the visible and near infrared spectral range are modified for the application in the MIR range. Measurements of the laser linewidth are shown using both a self-mixing technique as well as a modified homodyne method. Furthermore, in addition to measurements of the intensity noise, a novel method is presented to measure the linewidth enhancement factor of the QCL. This method was developed based on self-mixing and permits the measurement of this paramter at operating conditions. As a result it is shown that the linewidth enhancement factor of QCLs depends on pump current and temperature. Finally, a setup was designed for these measurements, which made it possible for the first time to estimate the linewidth enhancement factor of a laser by detecting a self-mixing signal using the laser itself simultaneously as emitter and detector.