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Thermoelectric terahertz photodetectors based on selenium-doped black phosphorus flakes
No full textChemical doping of bulk black phosphorus is a well-recognized way to reduce surface oxidation and degradation. Here, we report on the fabrication of terahertz frequency detectors consisting of an antenna-coupled field-effect transistor (FET) with an active channel of Se-doped black phosphorus. Our devices show a maximum room-temperature hole mobility of 1780 cm 2 V -1 s -1 in a SiO 2 -encapsulated FET. A room-temperature responsivity of 3 V W -1 was observed, with a noise-equivalent power of 7 nW Hz -1/2 at 3.4 THz, comparable with the state-of-the-art room-temperature photodetectors operating in the same frequency range. The inclusion of Se dopants in the growth process of black phosphorus crystals enables the optimization of the transport and optical performances of FETs in the far-infrared with a high potential for the development of BP-based electro-optical devices. We also demonstrate that the flake thickness can be tuned according to the target application. Specifically, thicker flakes (>80 nm) are suitable for applications in which high mobility and high speed are essential, thinner flakes (<10 nm) are more appropriate for applications requiring high on/off current ratios, while THz photodetection is optimal with flakes 30-40 nm thick, due to the larger carrier density tunability
Hot Electrons in THz Quantum Cascade Lasers
No full textWe compare the electrical power dependence of the lattice temperature and the electronic temperature of GaAs/AlxGa1-xAs THz quantum cascade lasers (QCLs) with different active region schemes, as extracted by the analysis of microprobe band-to-band photoluminescence experiments. Thermalized non-equilibrium distributions are found in all classes of QCLs. While in the case of bound-to-continuum structures all subbands share the same temperature, the upper laser level of active regions based on the resonant-phonon scheme heats up by ΔT ~ 100 K with respect to lower energy levels. The comparison among samples with different Al mole fractions show that the use of smaller x values leads to larger electronic temperatures
Quasi-periodic and random THz photonic resonators
No full textIn the last decades the fields of photonics and nanotechnology have led to some impressive scientific and technological achievements. Among them, the exploration of yet unexploited spectral regions, such as the Terahertz (THz) range, i.e. wavelengths of 60micron-300 micron, has been a major breakthrough.
On the one hand, this was possible after the novel theoretical concept of light amplification in multiple quantum wells and superlattices was proposed in the Seventies, introducing the groundbreaking quantum cascade laser (QCL) idea. On the other hand, the development of new nanofabrication technologies and crystal growth techniques, such as the molecular beam epitaxy (MBE), allowed an unprecedented control over the material structure, down to the deposition of nanometer-thick semiconductor layers. This paved the way to the practical realization of electrically pumped multi-stage gain media, the QCL, and to the successful demonstrations of their operation in a broad frequency range, from the mid-IR to the far-infrared.
Apart from the purely scientific interest, Terahertz photonics has now a fundamental role in many applications, like metrology, spectroscopy, biomedical and pharmaceutical imaging, quality and process control, communications and security.
Nowadays, a lot of effort is made to improve the performance of Terahertz QCL in terms of optical power, efficiency, beam pattern, frequency control and thermal management. Some of these crucial issues can be addressed by the use of photonic structures, i.e. specially designed patterns of dielectric scatterers superimposed to the active region. Such structures can be implemented in one- (1D), two (2D)- or three (3D)-dimensional architectures, to provide a tight control of the frequencies and far-field emission pattern of the laser.
Periodic photonic crystals have been studied for long time, providing intriguing insights. More recently, aperiodic patterns have attracted increasing attention due to their greater flexibility and the possibility to study and explore novel physical phenomena.
The aim of the present thesis is to design, fabricate and investigate the transport and optical behavior of THz QCLs exploiting distributed feedback, achieved through the use of 2D quasi-periodic and random resonators. The main goal is to demonstrate multimode emission over a broad frequency bandwidth, centered around 3.1 THz.
Unlike perfect photonic crystals, quasi-crystal geometries do not possess discrete translational invariance, yet they do possess long-range order which gives rise to a rich spectrum. After developing a simulation code based on the generation algorithm called "Generalized Dual Method", we designed the following quasi-crystal geometries:
i) a 7-fold pattern with a perfect symmetry under 2π/7 rotations around a central axis,
ii) an imperfect 7-fold geometry where small defect points are introduced.
This allowed to compare the effects of introducing a small amount of disorder in the design of the photonic structures. In order to understand the effect of a further increase of disorder, a third type of random structures was also studied, whose scatterers positions were extracted from a uniform pseudo-random distribution.
We then simulated these photonic structures using the numerical approach of finite elements analysis, to understand how light propagation is affected by the size, the number and the arrangement of the scatterrers.
A set of devices for each geometry was selected among those with the largest number of electromagnetic modes with predicted high quality factors Q. They were then nano-fabricated with the same QCL active region in a cleanroom facility, using a combination of UV optical lithography, plasma-assisted etching, metal deposition, chemical processes and ultrasonic wedge bonding.
Finally, all lasers were characterized electrically and optically to study how the different physical and geometrical parameters affect the lasing threshold, the slope efficiency, the emitted power and the far-field intensity profile. The emission spectra were probed via Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), demonstrating the predicted multimode emission in most devices.
In a future perspective, such multimode emission could be used to mode-lock radiation in a THz QCL, for example using passive optical components. An interesting possibility is the future integration of graphene in QCL to exploit its saturable absorption in the THz region.
To this end, the transmission of THz radiation through a few layers of graphene transferred on an intrinsic silicon substrate was measured, reporting saturable absorption in the THz
Terahertz photodetector architectures based on thin flakes of black-phosphorus: design, fabrication and study of the transport, optical and near field properties
No full textThe present thesis is focused on the study of the interaction between terahertz (THz) radiation, (frequency 0.1-10 THz), and thin flakes of the two dimensional semiconductor black phosphorus (BP). BP based photodetectors were designed, nanofabricated and characterized electrically and optically.
The realized devices are field effect transistors operating as nano-detectors, able to detect the 3.4 THz radiation of a quantum cascade laser (QCL), and operate at room temperature with responsivities of the order of 1 V/W and state of the art noise equivalent powers.
Two different architectures have been investigated, namely a ’far field’ architecture, where THz radiation impinges onto the detector from the free space; and a ’near field architecture’, where evanescent THz radiation transmitted through a sub-wavelength size aperture is detected by the on-chip detector.
Sensitive detection of the 3.4 THz QCL radiation is demonstrated in both the configurations. A first imaging application of the near field architecture is provided, where Fabry-Perot induced fringes in the QCL beam are detected.
The final part of this work is dedicated to the physics and preliminary realization of a THz near field setup which will be used for future studies on 2D materials and 2D materials based THz detectors
Terahertz near-field microscopy investigation of plasmons in 2D nanomaterials
No full textTHz radiation covers a portion of the electromagnetic spectrum that is very hard to investigate. Visible and radio frequencies are well studied and relatively easy to generate. The energy of photons with frequencies in the visible spectrum is of the same order of magnitude of atomic transitions. Exploiting the process of stimulated emission it is possible to create a laser that emits photons in the visible spectrum. Radio waves can be generated by alternating electrical current. In the region between visible and radio waves a common radiation sources are of Quantum Cascade Lasers (QCL) sources that actually require cryogenic temperatures. This makes the investigation of THz frequencies very difficult. This is unfortunate, since THz radiation has the potential for many applications. The energy of vibrational and rotational transitions of many atoms and molecules falls in this spectral range. This allows the use of THz radiation to identify atoms and molecules. Another possible application is in airport security where a non intrusive method of identification of illegal substances is required, or in industry to monitor production.
Using radiation in THz range in microscopy appears unfeasible at the first glance. Diffraction limit imposes that an optical microscope employing THz radiation would be unable to have a resolution lower then 0.61 λ/n, with λ being the THz wavelength and n being the index of refraction. This means that details smaller then 100 µm cannot be easily unveiled. This limit holds for microscopes that use far field radiation. In this work we demonstrate a novel THz near field optical microscopy technique in which a QCL source is simultaneously used as source and detector in the self-mixing configuration. We used a scattering-type Scanning Near Field Microscope (SNOM) by Neaspec GmbH.
Self-mixing interferometry is a measurement technique that makes use of the coherence properties of a laser beam and of the high sensitivity of interferometric detection. In this technique the laser beam is reflected from an object back inside the laser. The reflected light and the generated light interferes inside the laser cavity, causing changes in the optical mode and the laser voltage. Those changes are monitored and recorded by lock-in amplification.
In this work we describe the optical setup in details, together with the alignment procedures such as the use of the pilot laser for the crude alignment and the use of the self mixing signal itself for the finer alignment.
As application of this novel instrument we probed 2D nanomaterials. In particular, we investigated black phosphorus, tin selenide (SnSe) and tin diselenide (SnSe2). In order to be able to change the carriers density inside those materials, influencing their response to the THz radiation, we fabricated several field effect transistor devices (FETs) for each material. The fabrication process was performed inside the facilities of Laboratorio NEST - National Enterprise for nanoScience and nanoTechnology. The fabrication procedures such as substrate preparation, mechanical exfoliation, SEM image acquisition, transistor design, electronic beam lithography, reactive ion etching, evaporation, lift-off, atomic layer deposition and bonding are described. The setup for electrical characterization of the produced FETs is presented.
The final scans acquired by the self-mixing SNOM setup are presented and discussed. For devices of each material the topography maps, the THz scans and the electrical characteristics are provided
Design litografici innovativi per la realizzazione di micro-Laser a cascata quantica a feedback distribuito operanti a frequenze Terahertz con elevatissima potenza, bassa divergenza ed emissione singolo modo.
No full textNegli ultimi decenni il settore delle nanotecnologie ha portato a ragguardevoli progressi scientifici e tecnologici. Le tecniche di crescita controllata, come l’epitassia da fasci molecolari (MBE) sviluppate a partire dagli anni 70, hanno permesso di esplorare le leggi fisiche che governano i sistemi a bassa dimensionalità e di sfruttarle per ingegnerizzare quantisticamente nuovi sistemi complessi e innovatici dispositivi optoelettronici e fotonici. Tra questi rivestono un ruolo particolarmente interessante i laser a cascata quantica. Questi ultimi sono dispositivi unipolari il cui mezzo attivo è progettato quantisticamente alternando buche e barriere di potenziale di dimensioni nanometriche; gli effetti di forte confinamento spaziale che ne risultano determinano la formazione di stati fortemente localizzati all’interno di un’unica banda (sotto-bande) tra i quali si innescano le transizioni che portano all’emissione di radiazione laser. Le proprietà fisiche alla base dell’azione laser differiscono largamente dai meccanismi di ricombinazione elettrone-lacuna alla base del funzionamento dei normali laser a semiconduttore. Il controllo accurato degli spessori degli strati di crescita consente di scegliere adeguatamente la lunghezza d’onda di emissione che attualmente copre l’intervallo spettrale dal medio al lontano infrarosso.
A partire dalla prima dimostrazione di emissione laser a frequenze Terahertz, sono stati compiuti molteplici progressi tecnologici e scientifici al fine di ottimizzare le performance di questa classe di dispositivi laser in termini di brillanza, temperature di esercizio, controllo delle proprietà spettrali e dei profili di emissione di radiazione per rispondere alle specifiche esigenze applicative.
Molteplici sono infatti le potenzialità applicative della radiazione Terahertz nel settore della metrologia, della spettroscopia, della ricostruzione di immagini nel campo biomedicale e farmacologico, delle telecomunicazioni, della spettroscopia e della sicurezza. Molte delle applicazioni sopracitate richiedono dispositivi che operino a singolo modo, con alte potenze di emissione e bassa divergenza angolare.
Nei laser a cascata quantica, il simultaneo controllo della selettività sulla frequenza di emissione e la direzionalità dei fasci ottici è ottenibile con la realizzazione di strutture a feedback distribuito, ossia reticoli di Bragg definiti litograficamente sulla superficie superiore della cavita laser. Reticoli di Bragg di diverso ordine sono stati esplorati in QCL THz; le migliori prestazioni ottenute riguardano i reticoli al terzo ordine, in cui la conservazione dell'impulso impone che il vettore d'onda della radiazione in aria sia parallelo al vettore d'onda del modo in guida, dando così luogo ad un’emissione altamente collimata nel piano. Tuttavia, il raggiungimento di queste condizioni richiede un oculato processo litografico, di difficilissimo controllo, finalizzato all’ottenimento di un indice di rifrazione del modo in guida esattamente pari a 3 .
Obiettivo del presente lavoro di tesi è l’ingegnerizzazione di un nuovo e innovativo design litografico libero dai suddetti vincoli litografici, che, implementato sulla superficie di una struttura laser a cascata quantica terahertz in guida d’onda doppio metallo garantisca di preservare le prestazioni in temperature e simultaneamente di ottenere emissione a singolo modo alla frequenza desiderata, elevate potenze di emissione e slope efficiency, con profili di fascio altamente direzionali (divergenze < 10°) .
Le attività di ricerca svolte nel presente lavoro di tesi includono la progettazione, fabbricazione e lo studio delle proprietà elettriche ed ottiche THz-QCL caratterizzati da reticoli a feedback distribuito non convenzionali. L'idea di base è l’utilizzo di reticoli non periodici in cui il vettor d’onda di estrazione e quello di feedback della radiazione laser vengono ignegnerizzati e controllati indipendentemente in modo da regolare la frequenza di emissione e al contempo l'angolo di estrazione della radiazione emessa. Nello specifico sono state progettate due differenti strutture a feedback distribuito:
- Reticoli rettangolati a doppia fenditura bi-periodici: questi ultimi sono stati realizzati sovrapponendo opportunamente due reticoli di definita periodicità, uno atto a controllare l'estrazione, l'altro il feedback.
- Cavità laser con profilo corrugato sinusoidalmente: in questo ultimo caso il reticolo atto a controllare il feedback è stato realizzato con una corrugazione periodica del profilo laterale del dispositivo, mentre il reticolo di estrazione è realizzato litografando sul contatto superiore delle aperture circolari.
In entrambe le geometrie, le aperture realizzate in superficie, che permettono l’estrazione di radiazione si comportano come emettitori puntiformi: il profilo di radiazione emessa è il risultato di effetti di interferenza costruttiva e distruttiva della radiazione emessa da ogni singolo emettitore.
Per entrambe le due tipologie di laser è stato realizzato un array di dispositivi variando leggermente il vettore d’onda del reticolo di estrazione attorno al cono di luce, in tal modo è stato possibile effettuare uno studio sistematico sulle condizioni ottimali per il raggiungimento dell’ emissione nel piano a bassa divergenza ed alta efficienza.
Le strutture sono state simulate attraverso l’analisi ad elementi finiti (COMSOL MULTYPHYSICS) così da poter prevedere per ognuna di esse l’angolo di estrazione, il modo fondamentale, la frequenza di emissione e i relativi fattori di qualità.
La fabbricazione dei dispositivi laser è stata realizzata seguendo una combinazione di fasi sequenziali di litografia ottica, attacco chimico in fase umida e assistita da plasma, deposizione di metalli, e microsaldature ad ultrasuoni .
Ogni dispositivo è stato infine caratterizzato elettricamente per analizzare le figure di merito rilevanti: densità di corrente di soglia, potenza di emissione e profili di fascio. Le caratteristiche spettrali sono state infine analizzate mediante spettroscopia a trasformata di Fourier (FTIR).
Le geometrie proposte, sfruttando un approccio differente dai convenzionali laser a feedback distribuito, aprono la strada allo sviluppo di una nuova classe di THz DFB QCL con emissione nel piano che garantiscono emissione a singolo modo, elevate potenze di emissione e slope efficiency, e far field altamente direzionali
Progettazione, fabbricazione e caratterizzazione di Laser a Cascata Quantica a banda larga nel THz
No full textNegli ultimi decenni, i laser a cascata quantica sono emersi come una delle più performanti sorgenti di radiazione a frequenze terahertz (THz), in particolare per le ottime proprietà di coerenza, potenza ottica e per la possibilità di funzionamento in corrente continua. Molteplici, sono di
conseguenza le potenzialità applicative di queste sorgenti in settori di punta quali la spettroscopia, la sicurezza, il controllo di qualità e di processo e i beni culturali.
L’impiego di laser a cascata quantica per specifiche finalità applicative di natura spettroscopica richiede tuttavia l’ingegnerizzazione di regioni attive caratterizzate dalla presenza di bande di guadagno molto larghe.
Ampie bande di guadagno risultano particolarmente interessanti se combinate con tecniche di stabilizzazione in fase/frequenza che consentono l’operazione dei dispositivi come pettini ottici di frequenza.
Le tecniche di generazione di pettini ottici di frequenza, a partire dai primi anni 2000, hanno rivoluzionato il campo della metrologia ottica. Usando una sorgente coerente il cui spettro consiste di un treno di frequenze esattamente equispaziate, queste tecniche consentono un collegamento diretto tra le regioni ottiche e radio dello spettro elettromagnetico,
permettendo in molti casi di sfruttare per misure di frequenze ottiche tecniche di misura elettroniche, spesso più veloci, compatte e di semplice utilizzo.
I laser a cascata quantica, sono intrinsecamente particolarmente adatti per il funzionamento come pettini ottici di frequenza, la cui formazione è guidata dalla presenza di forti non linearità ultraveloci (four-wave-mixing) nella stessa regione attiva.
Il suddetto meccanismo non-lineare al terzo ordine, consiste in un processo fisico in cui tre frequenze interagiscono producendone una quarta. Per la regola di conservazione dell’energia, questo meccanismo è in grado di favorire la generazione di pettini di frequenza esattamente equispaziati
i cui modi sono correlati in fase. Tuttavia generalmente un laser a cascata quantica con geometria della cavità Fabry-Perot è soggetto a dispersione cromatica sufficientemente alta da prevenire la formazione di modi esattamente equispaziati, dunque per permettere, a questo tipo di sorgente laser di funzionare come un pettine ottico di frequenze è necessario applicare delle strategie che limitino o compensino la dispersione dei modi ottici in cavità.
Obiettivo del presente lavoro di tesi è la realizzazione di laser a cascata quantica, operanti a frequenze terahertz, che presentino emissione spettrale a banda larga e operino in regime di pettine di frequenza. Per ottenere l’emissione a banda larga, sono state utilizzate regioni attive di tipo “eterogeneo”, che inglobano una sequenza multistrato di diverse regioni attive caratterizzate da bande di guadagno sovrapposte. Ulteriore
vantaggio di questo tipo di mezzo attivo è il basso contributo del guadagno alla dispersione, dovuto a una banda di guadagno ottico particolarmente uniforme.
I dispositivi sono stati realizzati implementando, tramite tecniche litografiche, sulla superficie superiore di cavità laser con guide d’onda doppio-metallo, degli assorbitori metallici, che permettono la soppressione dei modi laterali di ordine superiore. Questi ultimi, presentando una velocità di gruppo diversa dai modi fondamentali, oscillano nella cavità con
un diverso tempo di round-trip, ostacolando dunque la stabilità necessaria per operare in regime di pettini ottici di frequenza.
Le attività di ricerca svolte nel presente lavoro di tesi, includono la progettazione, fabbricazione e lo studio delle proprietà elettriche e spettrali dei dispositivi realizzati.
L’architettura prescelta è stata opportunamente identificata mediante analisi agli elementi finiti tramite il software commerciale COMSOL Multiphysics, al fine di ottimizzare le dimensioni degli assorbitori metallici per massimizzare l’effetto di selezione dei modi.
La fabbricazione dei dispostivi è avvenuta nella cleanroom dei laboratori NEST utilizzando tecniche di nanofabbricazione quali la litografia ottica, la deposizione controllata di metalli, l’attacco chimico in fase umida e assistito da plasma e la microsaldatura a ultrasuoni.
I dispositivi sono stati caratterizzati elettricamente e otticamente tramite spettroscopia a trasformata di Fourier FTIR. Infine, per verificare il funzionamento come pettine di frequenza, sono stati studiati anche nel range delle radiofrequenze tramite un analizzatore di spettro, poiché in
tale regime, l’esatta equispaziatura nello spettro THz corrisponde a un battimento estremamente monocromatico alla frequenza di ripetizione della cavità, tipicamente tra 10 e 20 GHz.
I risultati conseguenti, hanno consentito la realizzazione di strutture a pettine ottico di frequenze nella banda 2.4-3.4 THz, operanti in corrente continua con potenze ottiche > 1mW
Laser a Cascata Quantica in quasicristalli fotonici bidimensionali
No full textDurante l’ultimo decennio è stata svolta un’intensa attività di ricerca volta a generare sorgenti luminose in grado di emettere radiazione nella regione dello spettro elettromagnetico compresa tra i 30µm e i 1000µm di lunghezza d’onda (regione THz). A causa della bassa energia del fotone (1–40meV) l’implementazione di sorgenti laser a semiconduttore operanti all’interno della regione del THz risulta particolarmente complicata. Progressi ragguardevoli sono stati ottenuti a seguito della realizzazione di sorgenti laser a cascata quantica (QCL) operanti nella regione del THz. I livelli energetici degli stati che sostengono l’emissione di radiazione luminosa all’interno di un QCL sono sostanzialmente indipendenti dal band-gap elettronico dei materiali semiconduttori utilizzati, ma sono determinati dallo spessore degli strati che compongono l’eterostruttura. Questa particolare progettazione permette di ingegnerizzare opportunamente le transizioni intersottobanda, consentendo ai QCL di coprire l’intera regione dello spettro elettromagnetico dal medio al lontano infrarosso (dai 3µm ai 300µm di lunghezza d’onda). Nei QCL operanti nella regione del THz (QCL THz), la guida d’onda per la radiazione elettromagnetica è realizzata (nella maggior parte dei casi) inserendo la eterostruttura tra uno strato metallico (nella parte superiore) ed uno strato inferiore ad alto drogaggio (guide d’onda SISP, Semi Insulating Surface Plasmon) oppure tra due strati metallici (guide d’onda MM, Metal Metal). Il fascio della radiazione uscente risulta avere tipicamente una elevata divergenza ottica, a causa delle strutture geometriche stesse trapezoidali dei dispositivi. Per ovviare a questo problema sono stati sviluppati laser QCL con emissione superficiale, in cui un pattern opportuno di scatteratori è inciso sullo strato di metallizzazione superiore del dispositivo. In particolare, un pattern periodico di scatteratori agisce per la radiazione elettromagnetica all’interno della eterostruttura come un cristallo fotonico (PC). Il campo elettrico all’interno di un QCL risulta essere orientato nella direzione di crescita degli strati: questo rende complicata la progettazione di un QCL THz con emissione superficiale. In generale infatti, nei QCL THz la radiazione estratta non risulta ben collimata e con intensità uniforme, aspetto rilevante per diversi tipi di applicazioni tecnologiche. Inoltre, per motivi di simmetria, il modo della radiazione elettromagnetica su cui il laser opera, presenta una bassa efficienza radiativa.
Il presente lavoro di tesi verte sullo studio teorico e sulla realizzazione sperimentale di dispositivi QCL con emissione superficiale basati su quasicristalli fotonici (PQC); lo studio teorico effettuato su questo tipo di strutture ha evidenziato l’esistenza di un modo “quasi-stazionario”, con un buon fattore di qualità ed un un profilo di emissione uniforme e contenuto all’interno di un cono con apertura di circa 5 gradi. I PQC a differenza dei PC, non godono di alcuna simmetria traslazionale, ma sono caratterizzati comunque dall’essere strutture ordinate. Il PQC usato in questo lavoro è stato realizzato a partire da una tessellatura di Penrose tipo P2, sostituendo ai vertici dei triangoli di Robinson, degli scatteratori circolari di raggio opportuno. A causa dell’assenza di simmetria traslazionale si sono effettuati i calcoli su una struttura limitata e bidimensionale utilizzando il Metodo dell’Indice di rifrazione Efficace (EIM), con un solutore numerico FD-FEM (Metodo agli Elementi Finiti nel Dominio della Frequenza). Le stime numeriche ottenute implementando i metodi citati su dispositivi THz QCL operanti a 3THz hanno evidenziato la possibilità di ingegnerizzare strutture QCL quasiperiodiche in cui l’emissione di radiazione avviene in maniera uniforme e ben collimata.
I primi test di fabbricazione e caratterizzazione di dispositivi QCL THz con struttura aperiodica di tipo Penrose style hanno esibito un regime di trasporto quantistico adeguato alle strutture attive di riferimento, potenziale per lo studio delle proprietà ottiche dei suddetti emettitori
Studio e realizzazione di sistemi di accordabilita' in frequenza di laser a cascata quantica a feedback distribuito operanti nel TeraHertz
No full textLa regione spettrale del Terahertz (THz) (1-10 THz 300-30 micron) rappresenta un intervallo dello spettro elettromagnetico ancora poco esplorato nonostante le innumerevoli potenzialità applicative.
L'interesse per tale regione spettrale non è solo dettato dalla volontà di raggiungere un traguardo tecnologico nello sviluppo di sorgenti, rivelatori e componentistica ottica, ma è anche guidato da necessità pratiche relative alla richiesta di sorgenti e componenti teconologiche in molti campi applicativi. In particolare, la radiazione THz può essere utilizzata per applicazioni spettroscopiche in quanto molte specie molecolari presentano le loro righe di assorbimento in questa regione, o in ambito biomedico per effettuare ricostruzione di immagini (imaging) non invasive di tessuti e organi.
I laser a stato solido a cascata quantica (QCL) sono sorgenti ideali per questo genere di applicazioni. Negli ultimi anni la ricerca è stata estensivamente indirizzata al miglioramento delle loro prestazioni, in particolare relativamente alla potenza di emissione e la temperatura di funzionamento.
Un aspetto fondamentale dei QCL operanti nel Terahertz è l'accordabilità in frequenza, cioè la possibilità di variare la frequenza di emissione con continuità così da coprire un intervallo di frequenze usando una sola sorgente. Nello specifico tale caratteristica è fondamentale per le appicazioni spettroscopiche e metrologiche citate.
Attualmente esistono diversi metodi per accordare in frequenza i QCL, però a causa delle elevate lunghezze d'onda della radiazione THz, le metodologie suddette risultano molto meno efficaci rispetto a quelle utilizzate per sorgenti vicino infrarosse.
Obiettivo del presente lavoro di tesi è lo sviluppo di una tecnica di accordabilità innovativa basata sull'accoppiamento di una microcavità alla regione attiva di un QCL operante nel lontano infrarosso.
Contrariamente alle classiche tecniche di accordabilità in frequenza con cavità esterna in cui quest'ultima viene costruita per variare i modi Fabry-Perot all'interno del mezzo attivo, la nuova metodologia proposta è atta a generare un fenomeno di anti-crossing tra la guida d'onda e la microcavità esterna così da influenzare direttamente i modi di risonanza interni della guida.
A tal fine, per sfruttare questo effetto è stato realizzato un laser ad emissione verticale al quale è stato avvicinato uno specchio dall'alto, così da accoppiare la cavità formata dal bordo inferiore e superiore del laser e quella formata dal bordo superiore e lo specchio esterno. Dato che l'anti-crossing è tanto più efficace quanto maggiore è lo scambio di energia tra le due cavità sono stati realizzati QCL a feedback distribuito (DFB) a doppia periodicità considerando che presentano maggiore emissione in direzione verticale, e sono state trattate regioni attive a spessore decrescente così da avere sempre più accoppiamento verso l'esterno.
Nello specifico sono state considerate quattro regioni attive a spessore differente (10, 7, 5 e 2 micron) per le quali sono state effettuate simulazioni sulle periodicità della struttura DFB in modo da migliorare l'emissione verticale. Quindi per tutte le regioni attive sono stati fabbricati inizialmente QCL doppio metallo allo scopo di studiarne le caratteristiche elettriche e ottiche. Successivamente, sono stati realizzati DFB a doppia periodicità e ne è stato caratterizzato il funzionamento in termini di direzionabilità dei fasci e potenza di emissione.
Infine, su specifici dispositivi selezionati è stata eseguita la prova di accordabilità con microcavità esterna utilizzando un dispositivo provvisto di piezoelettrico per il controllo fine degli spostamenti dello specchio esterno, analizzando costantemente la frequenza di emissione tramite uno spettrometro a trasformata di Fourier
THz nanoscopy of graphene plasmons on strontium titanate
No full textThe dispersion of graphene plasmons, with a high- dielectric as the substrate, is theoretically derived, and probed by near-field nanoscopy enabled by a QCL emitting at 2.2 THz, which, through self-mixing, functions both as an emitter and detector
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