Quantitative Modeling of Gain in Quantum Cascade Lasers under Operational Intensities

Abstract

This thesis adresses modeling of quantum cascade lasers using non-equilibrium Green’s functions. Focus lies on the quantitative modeling of the gain when the systems are exposed to strong laser fields, as under realistic opertional conditions. In the first part, an introduction to the general concepts is provided, together with a discussion on approximate analytic expressions. The second part consists of the six papers listed below.
Paper I analyzes the temperature dependence of the gain and current of a terahertz quantum cascade laser.
Paper II provides details of the implementiation of the non-equilibriun Green’s function formalism for simulations of transport in quantum cascade lasers.
Paper III demonstrates a microscopic approach to simulate the second harmonic generation of a mid-IR quantum cascade laser.
Paper IV documents the implementation of a rudimentary form of the GW-approximation for the electron-electron scattering self-energy.
Paper V analyzes a proposed gain mechanism in superlattices, and presents an optimized structure plausible for laser operation.
Paper VI shows simulation results of 16 samples from 5 different laboratories. From this systematic study, trends with repspect to the growth place are identified.

Abstract (Swedish)

Ljus består av elektromagnetiska vågor som pulserar genom universum med olika frekvenser. Vanligt ljus, som det som kommer från solen och från våra lampor, innehåller ett spektrum av många olika frekvenser. De olika vågornas toppar och dalar svänger inte heller i takt, utan är förskjutna i förhållande till varandra. I laserljus däremot, svänger alla vågor samtidigt upp och ner och med samma frekvens. Vanligt ljus kan liknas vid de kaosartade applåderna efter ett bejublat framträdande, medan laserljuset är det taktfasta klappandet för att få till ett extranummer.
Användningsområdena för laserteknik blir hela tiden fler och fler, och idag finns lasern både i dvd-spelaren, i metallindustrin och på ögonklinken.
Våra ögon har förmågan att uppfatta en viss del av ljusets spektrum, från de djuprödaste färgerna till de violetta nyanserna. Andra arter är mer receptiva; näsgropsormen kan uppfatta infraröda signaler och tornfalken kan upptäcka ultravioletta reflektioner från gnagares urin på marken.
Idag kan vi producera laserljus i många frekvensområden, men ännu inte i hela det elektro-magnetiska spektrumet. En illustration av detta kan ses i kappan till denna avhandling, i figur 1.1. Ett utvecklingsområde är ett frekvensområde som kallas Terahertz (THz), som ligger en bit nedanför det infraröda som näsgropsormen kan uppfatta. En laser i detta frekvensområde kan användas för att leta syre i rymden, scanna väskor och kläder efter vapen och för ultrasnabb spektroskopi.
Här sker nu en snabb utveckling tack vare kvantkaskadlasern, som är central i denna avhandling. Denna laser består inte utav en gas av atomer eller molekyler, utan av ett solitt system av legereringar. Materialen som används liknar de som används vid tillverkning av LED-lampor och solceller, som genererar eller samlar vanligt ljus.
Precis som i LED-lampan, så är principen att elektrisk energi i form av en ström omvandlas till ljus. Kvantkaskadlasern producerar dock laserljus i THz-området, medan LED-tekniken är konstruerad för vanligt ljus i det synliga området.
I Figur 1.10 i kappan, visas en bild av en klyvfrukt från en lönn, tagen med en THz laser vid Massachusetts Institute of Technology.
Andra system har också använts av konservatörer tilsammans med fysiker vid Statens Museum for Kunst i Köpenhamn, för att analysera målningar som är gömda under flera lager av färg. För att kunna göra dessa applikationer mer tillgängliga, och möjliggöra nya, så hoppas man kunna producera en laser i detta frekvensområde som kan fungera vid rumstemperatur. De som finns idag klarar inte detta krav utan måste kylas ned, till exempel med flytande kväve. För att förstå och förbättra dem, krävs en detaljerad förståelse av de mikroskopiska processer som kvantkaskadlasern bygger på.
De elektroner som driver kvantkaskadlasern rör sig i strukturer på nanometer-skalan, och deras rörelse styrs därför av kvantmekaniska lagar. Istället för att se dem som partiklar måste vi behandla dem som vågor, utan en bestämd plats i rummet.
Denna avhandling visar på hur vi med hjälp av kvantmekaniska simuleringar kan beskriva i detalj hur elektronerna i de
nanometer-stora systemen beter sig och hur de samverkar med ljusvågorna
i strukturerna.
Vi undersöker hur övertoner av ljus uppstår i starka laserfält, hur THz-lasrar påverkas av temperetur och hur elektronerna sprids efter kollisioner. Vi utvärderar alternativa idéer i THz-området, och vi jämför slutligen våra beräkningar med experiment från flera världsledande laboratorier. Vår slutsats är att vår modell kvantitativt kan beskriva den kvantmekanska verkligheten i dessa mikroscopiska strukturer.

• author: Winge, David
• supervisor: Andreas Wacker; Peter Samuelsson
• opponent: Professor Khurgin, Jacob B., Johns Hopkins University, Baltimore, USA
• organization: Mathematical Physics; NanoLund: Centre for Nanoscience
• publishing date: 2016-11
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Condensed Matter Physics
• keywords: non-linear response, quantum cascade lasers, modelling, Non-equilibrium Green's functions, Gain clamping, Fysicumarkivet A:2016:Winge, kvantkaskadlaser, terahertz, infrarött, Halvledarfysik, spektroskopi, simulering
• pages: 162 pages
• defense location: Physicum, Rydberg Lecture Hall, Sölvegatan 14A, Lund
• defense date: 2016-11-25 13:15:00
• ISBN: 978-91-7753-046-6
• ISBN: 978-91-7753-047-3
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 729572c0-177e-4bcf-a9a9-ade44e049c79
• date added to LUP: 2016-10-27 13:28:19
• date last changed: 2020-09-16 11:45:59