テラヘルツ技術によるチューナブルレーザーの超高速スイッチング・ダイナミクス

今日レーザーは、特定周波数の高出力コヒレント光源として広く使用されている。しかし、レーザー発振時の超高速ダイナミクスについての知見は限られていた。テラヘルツ周波数技術の超高速分光は、実験的にの周波数の選択機構を超高速時間スケールで研究する有効な手段である。

 

リーズ大学の研究チームはテラヘルツ超高速分光装置で、このプロセスを初めて明らかにした(Kundu et al., Nature Comm. 10:1038, 2018)。この結果は超高速スイッチング・ダイナミクスを明らかにし、半導体レーザーの将来の発展流るものと期待されている。長年にわたって、半導体レーザー内の動作周波数は、数ナノ秒(すなわち、数十億分の1秒)の時間スケールで安定し、数百ピコ秒(すなわち、数千ナノ秒)以内に変化すると考えられてきた。

しかし、これを正確に測定できる検出器はなく、実際の測定はナノ秒のタイムスケールでに限られていた。リーズ大学の研究チームは、このレーザー安定化プロセスを理解するために、テラヘルツ周波数量子カスケードレーザーとテラヘルツ時間領域分光法を用いた(下図)。

 

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Credit: Nature Comm.

 

上図は結合空洞レーザーの実験装置の模式図。 フェムト秒パルスを生成するためにTi:サファイアレーザを使用し、電力の一部を用いてRF周波数源をトリガして利得スイッチングパルスを発生させた。 残りのパワーは、ポンプビームとプローブビームを形成するために分割された。 ポンプビームを光伝導アンテナ上に集束させて、広帯域テラヘルツパルスを発生させた、テラヘルツパルスを用いて、結合空洞レーザー発振部に注入した。

同調部の端面から放出されたテラヘルツ場は、時間遅延されたプローブビームを有する電気光学結晶を用いてサンプリングされた。第2の擬似直流パルス発生器を第1のパルス発生器と同期させ、同調キャビティを駆動するために使用している。

 

テラヘルツの技術は、フェムト秒(すなわちナノ秒の100万分の1)の時間スケールで光の波長を測定することができ、これまでにない制度の時間情報が得られる。研究チームは、テラヘルツ技術の超高速検出能力を利用して、数十億分の1秒未満で複数の色から単一の波長に進化するレーザー放出を観測した。

このような非常に短い時間分解能でにわたるレーザーの詳細な放出を見ることで、定常状態から新しい定常状態へと光の波長がどのように変化するかを知るできる(下図)。

 

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Credit: Nature Comm.

 

上図はチューニングキャビティに供給される異なる電流に対して結合空洞レーザから放射される電場のコヒーレント測定。 (a)同調キャビティの出力ファセットから放射される電界。 レージングキャビティは、振幅0.65Aの準直流電流パルスを使用。(b)周波数2.765THz(青色)および2.825THz(ピンク)の伝達行列モデルを使用して計算された櫛形アライメントパラメータ。 (c)チューニング電流の関数としてのスイッチオン遅延(青色)およびレーザー安定化時間(ピンク)。

 

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