Quantum cascade lasers (QCLs) are unipolar, semiconductor devices emitting coherent radiation in the underdeveloped far- and mid-infrared portions of the electromagnetic spectrum. QCLs achieve lasing in those frequencies by "quantum engineering" of the optical transition in epitaxially grown quantum well heterostructures. Sub-nano scale control over the quantum well thickness ensures that the available conduction band states take only discrete energy values, where the energy spacing between the two lasing levels determines the emitted frequency. The ever increasing complexity of chip-scale devices necessitates correspondingly sophisticated theoretical modeling. In the last two decades, we have seen a steady progress in the design of quantum cascade lasers, resulting in devices with high electrical stability, emitting spectra with various desirable characteristics such as high-power single mode emission, short pulse and frequency comb generation. By contrast, it seems that theoretical or simulation models have struggled to keep up with the pace of experimental progress in the field. For example, to date most theoretical papers reduce the QCL complexity to only two energy levels which, albeit sometimes being able to give qualitative agreement with experiment, is often insufficient to achieve quantitative accuracy or explain some of the relevant physics. In addition, QCLs exhibit highly non-trivial dynamics, stemming from the intricate interplay of various coherent and incoherent processes, nonlinear light-matter interactions and complicated electro-optical phenomena, the understanding of which requires sophisticated theoretical models, unfortunately well beyond the analytically solvable such. To this end, the thesis attempts to outline in greater detail coherent light-matter interaction models, suitable for transient analysis of terahertz (THz) quantum cascade lasers for frequency comb generation. Therefore, there are two main focal points. First, this is the development of sufficiently accurate theoretical models and corresponding algorithms for their solution. And second is the usage of these models to investigate the physics behind frequency comb generation in two main modes of QCL operation, i.e. free running and actively/passively mode locked regime. The thesis begins with a very brief and informal introduction to lasers in general and quantum cascade lasers in particular, before presenting the essential theory on which all subsequent simulations are based. The resulting Maxwell/density matrix model is then discretized and numerical algorithms for its solution are presented, together with theoretical and numerical analysis of their accuracy (consistency) and stability. Next, follow the essential parts of the thesis, and namely the usage of the outlined models for time-domain simulations of QCLs for frequency comb generation. In that context, two different approaches to the production of frequency combs are considered, first by free running devices, where the main mode proliferation mechanisms are a consequence of high order nonlinearities in the device, and secondly by active and passive modelocking, where comb generation is equivalent to the production of a periodic train of pulses in the time domain. Several achievements can be mentioned. For example, this is the extension of the traditional two level Maxwell-Bloch model to multiple level such and subsequent simulations of free running THz QCLs. Importantly, the new model includes coherent tunneling between the injector and upper laser level of QCLs, and its simulation is shown to deliver results in very good agreement with available experiment, both for data in time and Fourier domains. Next, the same model is utilized to emulate laboratory experiments by numerical such, in order to characterize the multimode dynamics of longitudinal optical phonon terahertz QCLs, which results in several important insights about the behavior of these devices. Additionally, the model is adapted to simulate ultrashort pulse generation in the THz with specific emphasis on passive mode locking via a fast saturable absorber. It is also shown how one can exploit the natural "multi-pulse" regime of QCL operation to obtain very stable second and higher harmonic pulse emission. To date, no passively mode locked QCL device has been presented and it remains to be seen if this theoretical possibility could be realized experimentally. The thesis also outlines the beginnings of an extended model, suitable for self-consistent microwave-optical simulations, capturing the interaction dynamics between the intracavity QCL light and the propagating current/voltage along the device. Finally, as a small detour from the main topic, the author also investigates the possibility to engineer metamaterials for slowing down terahertz light, based on the so called tunneling induced transparency effect.     «

Quantum cascade lasers (QCLs) are unipolar, semiconductor devices emitting coherent radiation in the underdeveloped far- and mid-infrared portions of the electromagnetic spectrum. QCLs achieve lasing in those frequencies by "quantum engineering" of the optical transition in epitaxially grown quantum well heterostructures. Sub-nano scale control over the quantum well thickness ensures that the available conduction band states take only discrete energy values, where the energy spacing between the...     »

Quantenkaskadenlaser (QKL) sind unipolare Halbleiterlaser, die kohärente Strahlung im Terahertz- (THz) und im mittleren Infrarotbereich emittieren. Diese Bereiche gehören zu den technisch wenig erschlossenen Teilen des elektromagnetischen Spektrums. In QKL werden diese Frequenzbereiche mit Hilfe von Quantentopf-Heterostrukturen erreicht, die durch Epitaxieverfahren hergestellt werden. Mit diesen Verfahren ist es möglich, Quantentöpfe im Sub-Nanometerbereich herzustellen, die die verfügbaren Leitungsbandzustände auf diskrete Energiewerte reduzieren. Der Abstand zwischen zwei Energiewerten, die durch passende Konstruktion als Laserniveaus bestimmt werden, bestimmt dann die emittierte Frequenz. Die ständig zunehmende Komplexität von Strukturen im Nanometerbereich erfordert eine entsprechend ausgereifte theoretische Modellierung. In den letzten zwei Jahrzehnten konnte man einen stetigen Fortschritt beim Entwurf von Quantenkaskadenlasern beobachten, der zu Strukturen mit hoher elektrischer Stabilität sowie mit verschiedenen wünschenswerten Betriebsarten – wie zum Beispiel Hochleistungsemission im Dauerstrichbetrieb, Kurzimpuls- oder Frequenzkammbetrieb – führte. Im Gegensatz dazu scheint die Entwicklung von theoretischen oder Simulationsmodellen Schwierigkeiten zu haben, mit dem Tempo des experimentellen Fortschritts Schritt zu halten. So reduzieren etwa die meisten theoretischen Arbeiten die Komplexität, in dem nur zwei Energieniveaus betrachtet werden. Obwohl dieser Ansatz manchmal eine qualitative Übereinstimmung mit dem Experiment liefern kann, ist er oft nicht ausreichend, um eine quantitative Genauigkeit zu erreichen oder die zugrunde liegende relevante Physik zu erklären. Darüber hinaus weisen QKL eine nicht-triviale Dynamik auf, die aus dem komplizierten Zusammenspiel verschiedener kohärenter und inkohärenter Prozesse, nichtlinearer Licht-Materie-Wechselwirkungen und elektrooptischer Phänomene resultiert. Deren Verständnis erfordert aufwändige theoretische Modelle, die leider in der Regel nicht analytisch lösbar sind. Zu diesem Zweck wird versucht, kohärente Licht-Materie-Wechselwirkungsmodelle, die für die transiente Analyse von Terahertz-QKL für den Frequenzkammbetrieb geeignet sind, näher zu beschreiben. Dabei gibt es zwei Hauptschwerpunkte. Einerseits werden erweiterte theoretische Modelle und entsprechende Algorithmen zu deren Lösung entwickelt, andererseits werden diese Modelle verwendet, um die physikalischen Grundlagen der Frequenzkammgenerierung zu untersuchen, wobei auf zwei Hauptbetriebsarten der QKL – freilaufender Betrieb und aktive/passive Modenkopplung – eingegangen wird. Diese Arbeit beginnt mit einer sehr kurzen und informellen Einführung in die Grundlagen von Laser im Allgemeinen und Quantenkaskadenlaser im Speziellen, bevor die wesentliche Theorie vorgestellt wird, auf der alle nachfolgenden Simulationen basieren. Die Diskretisierung der resultierenden Maxwell/Dichtematrix-Gleichungen und die Verwendung numerischer Algorithmen für deren Lösung werden zusammen mit einer theoretischen und numerischen Analyse ihrer Genauigkeit (Konsistenz) und Stabilität präsentiert. Als Nächstes folgen die wesentlichen Teile der Arbeit, und zwar wird die Verwendung der skizzierten Modelle für dynamische Simulationen von QKL für Frequenzkammbetrieb beschrieben. In diesem Zusammenhang werden zwei unterschiedliche Ansätze zur Generierung von Frequenzkämmen betrachtet. Der erste Ansatz betrifft Strukturen im freilaufenden Betrieb, wobei die Moden des Frequenzkamms eine Folge von Nichtlinearitäten höherer Ordnung in dem Lasermedium sind. Als zweite Möglichkeit wird aktive und passive Modenkopplung verwendet, um eine periodische Folge von Impulsen im Zeitbereich zu erzeugen, was im Frequenzbereich einem Frequenzkamm entspricht. Mehrere Ergebnisse können erwähnt werden. Zunächst wurde das traditionelle Maxwell-Bloch-Modell von zwei Niveaus auf mehrere Niveaus erweitert und für die Simulation von Terahertz-QKL im freilaufenden Betrieb angewendet. Dabei ist von Bedeutung, dass das neue Modell ein kohärentes Tunneln zwischen dem Injektorniveau und dem oberen Laserniveau von QKL berücksichtigt. Mit diesem Ansatz konnte eine gute Übereinstimmung von Simulationsergebnissen mit verfügbaren Experimenten erreicht werden, sowohl im Zeitbereich als auch im Frequenzbereich. Als nächstes wurde das gleiche Modell verwendet, um Laborexperimente numerisch zu emulieren und somit die Multimodendynamik von Longitudinal Optical Phonon Terahertz-QKL zu charakterisieren. Dies führte zu mehreren wichtigen Erkenntnissen über das Verhalten dieser Strukturen. Zusätzlich wurde das Modell so angepasst, dass die Erzeugung von ultrakurzen Pulsen im Terahertz-Bereich simuliert werden kann. Dabei wurde der Schwerpunkt auf die passive Modenkopplung mit einem schnellen sättigbaren Absorber gelegt. Ferner wird auch gezeigt, wie man den natürlichen Mehrpulsbetriebsmodus des QKL ausnutzen kann, um eine sehr stabile zweite (und höhere) harmonische Pulsemission zu erhalten. Bislang wurde kein passiv modengekoppelter QKL vorgestellt und es ist noch eine offene Frage, ob diese theoretische Möglichkeit experimentell realisiert werden könnte. Dann werden die Anfänge eines erweiterten Modells skizziert, das für selbstkonsistente Simulationen geeignet ist und die dynamische Wechselwirkung zwischen dem Licht in dem QKL-Resonator und dem/der sich ausbreitenden Strom/Spannung im Mikrowellenbereich entlang der Struktur erfasst. Schließlich untersucht der Autor als kleinen Umweg vom Hauptthema auch die Möglichkeit, Metamaterialien zur Verlangsamung von Terahertz-Licht durch den sogenannten „tunneling induced transparency“ Effekt zu entwickeln.     «

Quantenkaskadenlaser (QKL) sind unipolare Halbleiterlaser, die kohärente Strahlung im Terahertz- (THz) und im mittleren Infrarotbereich emittieren. Diese Bereiche gehören zu den technisch wenig erschlossenen Teilen des elektromagnetischen Spektrums. In QKL werden diese Frequenzbereiche mit Hilfe von Quantentopf-Heterostrukturen erreicht, die durch Epitaxieverfahren hergestellt werden. Mit diesen Verfahren ist es möglich, Quantentöpfe im Sub-Nanometerbereich herzustellen, die die verfügbaren Leit...     »