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La 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.