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Negli 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.