JP2010521815A - テラヘルツ放射の発生方法および装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書で開示する主題に関する研究の一部は、合衆国国立科学財団(United States National Science Foundation)第NSF−ECS−0547019およびNSF−OISE−0530220、ならびに合衆国空軍科学研究局(the United States Air Force Office of Scientific Research)授与番号FA9550−05−1−0435により支援されるものであり、合衆国政府は、開示される主題の一部について特定の権利を有する。
テラヘルツ(THz)スペクトル範囲(
QCLにおける、THzDFG変換効率を評価するために、QCL導波路全体にわたるχ(2)の変動と、導波路内の不均一電場強度分布を考慮しなくてはならない。以下の解析において、ポンプ波動の電力は、DFG発光のそれよりもはるかに大きく、結合されたTM偏光導波路モードの場合には、一般の教科書技法に従って、DFG変換効率に対する式を導出した。
本願の明細書および請求の範囲において使用される場合の、不定冠詞「a」および「an」は、そうでないことを明示しない限り、「少なくとも1つ」を意味するものと理解すべきである。
請求の範囲においては、上記の明細書におけるのと同様に、「comprising」、「carrying」、「having」、「containing」、「involving」、「holding」、「composed of」、その他などの、すべての移行句はオープンエンドである、すなわち〜を含むが限定されない、と理解すべきである。移行句「consisting of」および「consisting essentially of」だけが、それぞれ、米国特許局特許審査便覧(the United States Patent Office Manual of Patent Examining Procedures)のセクション2111.03に記載されるように、クローズドまたはセミクローズドの移行句である。
Claims (48)
- 量子カスケードレーザーの活性領域に組み込まれる有効な2次非線形感受率(χ(2))を有する量子カスケードレーザー(QCL)であって、第1の周波数ω1における第1の放射、第2の周波数ω2における第2の放射、および第3の周波数ω3=ω1−ω2における第3の放射を、非線形感受率から生じる差周波数発生(DFG)に基づいて発生するように構成されている前記QCLを含む、装置。
- QCLが、
第1の放射を発生するように構成された第1の量子カスケード(QC)構造、および
第2の放射を発生するように構成された第2のQC構造を含み、
非線形感受率が、前記第1のQC構造と前記第2のQC構造の少なくとも一方に組み込まれている、請求項1に記載の装置。 - 非線形感受率が、第1のQC構造と第2のQC構造の両方に組み込まれている、請求項2に記載の装置。
- 非線形感受率が、第1のQC構造と第2のQC構造の一方だけに組み込まれている、請求項2に記載の装置。
- 非線形感受率が、第1のQC構造ではなく、第2のQC構造に組み込まれている、請求項2に記載の装置。
- 第1のQC構造が、少なくとも1つの2フォノン構造を含み、
第2のQC構造が、少なくとも1つのbound−to−continuum構造を含む、請求項2〜5のいずれかに記載の装置。 - 第1のQC構造が、約20〜30の2フォノン構造を含み、
第2のQC構造が、約30のbound−to−continuum構造を含む、請求項6に記載の装置。 - QCLは、第1、第2および第3の放射を発生する、単一量子カスケード(QC)構造を含む、請求項1に記載の装置。
- 単一QC構造が、少なくとも1つの改変2フォノン構造を含む、請求項8に記載の装置。
- 第1の放射および第2の放射が、それぞれ、電磁スペクトルの中赤外帯内の第1および第2の波長を有し、第3の放射が、電磁スペクトルのテラヘルツ(THz)帯内の波長を有する、請求項1〜9のいずれかに記載の装置。
- 第1および第2の波長は、約5〜10マイクロメートルの範囲であり、
第3の波長が、約30〜300マイクロメートルの範囲である、請求項10に記載の装置。 - 装置が、室温で動作するように構成されている、請求項1〜11のいずれかに記載の装置。
- 装置が、約250°K以下の温度で動作するように構成されている、請求項1〜11のいずれかに記載の装置。
- 装置が、約150°K以下の温度で動作するように構成されている、請求項1〜11のいずれかに記載の装置。
- 装置が、約80°K以下の温度で動作するように構成されている、請求項1〜11のいずれかに記載の装置。
- 装置が、動作温度の制御された変動に基づいて、第1、第2および第3の周波数を可変に同調するように構成されている、請求項1〜15のいずれかに記載の装置。
- QCLの動作温度を制御するために、前記QCLに結合された熱電冷却器をさらに含む、請求項1〜16のいずれかに記載の装置。
- 熱電冷却器が、約195〜295°Kの範囲にわたる動作温度を提供するように構成されている、請求項17に記載の装置。
- 装置が、連続波(CW)モードで動作するように構成されている、請求項1〜18のいずれかに記載の装置。
- 装置が、パルスモードで動作するように構成されている、請求項1〜18のいずれかに記載の装置。
- QCLが、表面プラズモン導波路構造を含む、請求項1〜20のいずれかに記載の装置。
- 表面プラズモン導波路構造が、第3の放射を実質的に閉じ込める、少なくとも1つの導電面を含む、請求項21に記載の装置。
- 第1および第2の放射が、少なくとも1つの導電面と大きく重畳しないように、表面プラズモン導波路構造が構成されている、請求項22に記載の装置。
- 表面プラズモン導波路構造が、
活性領域がその間に配置されている、第1および第2の導電面、および
第1および第2の導電面の間に活性領域が配置された、低ドープバッファー材料を含む、請求項23に記載の装置。 - 第1および第2の導電面が、装置への電流の印加を容易化するための金属接点を含む、請求項24に記載の装置。
- 表面プラズモン導波路構造上に配置されたグレーティングをさらに含み、表面プラズモン導波路構造の長さに沿って第3の放射を抽出するように構成されている、請求項21〜25のいずれかに記載の装置。
- QCLが、第3の放射の少なくとも一部分がそこから発出する、後端ファセットおよび前端ファセットを含む、導波路構造を有する、請求項1〜26のいずれかに記載の装置。
- 導波路構造が、前端ファセットに近接するテーパー区間を含む、請求項27に記載の装置。
- 前端ファセットと光学連通するレンズをさらに含む、請求項27または28に記載の装置。
- A)非線形感受率から生じる差周波数発生(DFG)に基づく、第1の周波数ω1における第1の放射、第2の周波数ω2における第2の放射、および第3の周波数ω3=ω1−ω2における第3の放射の発生を容易化するように、量子カスケードレーザー(QCL)の活性領域に、有効な2次非線形感受率(χ(2))を組み込むことを含む、方法。
- QCLが、第1の放射を発生するように構成された第1の量子カスケード(QC)構造、および第2の放射を発生するように構成された第2のQC構造を含み、
A)が、前記第1のQC構造と前記第2のQC構造の少なくとも一方に非線形感受率を組み込むことを含む、請求項30に記載の方法。 - A)が、第1のQC構造と第2のQC構造の両方に非線形感受率を組み込むことを含む、請求項31に記載の方法。
- A)が、第1のQC構造と第2のQC構造の一方だけに非線形感受率を組み込むことを含む、請求項31に記載の方法。
- A)が、第1のQC構造ではなく、第2のQC構造に非線形感受率を組み込むことを含む、請求項31に記載の方法。
- 第1のQC構造が、少なくとも1つの2フォノン構造を含み、
第2のQC構造が、少なくとも1つのbound−to−continuum構造を含む、請求項31〜34のいずれかに記載の方法。 - 第1のQC構造が、約20の2フォノン構造を含み、
第2のQC構造が、約30のbound−to−continuum構造を含む、請求項35に記載の方法。 - QCLは、第1、第2および第3の放射を発生する、単一量子カスケード(QC)構造を含む、請求項30に記載の方法。
- 単一QC構造が、少なくとも1つの改変2フォノン構造を含む、請求項37に記載の方法。
- 第1の放射および第2の放射が、それぞれ、電磁スペクトルの中赤外帯内の第1および第2の波長を有し、第3の放射が、電磁スペクトルのテラヘルツ(THz)帯内の波長を有する、請求項30〜38のいずれかに記載の方法。
- 第1および第2の波長は、約5〜10マイクロメートルの範囲であり、
第3の波長が、約30〜300マイクロメートルの範囲である、請求項39に記載の方法。 - QCLを室温で動作させることをさらに含む、請求項30〜40のいずれかに記載の方法。
- QCLを約250°K以下の温度で動作させることをさらに含む、請求項30〜40のいずれかに記載の方法。
- QCLを約150°K以下の温度で動作させることをさらに含む、請求項30から40のいずれかに記載の方法。
- QCLを約80°K以下の温度で動作させることをさらに含む、請求項30〜40のいずれかに記載の方法。
- 第1、第2および第3の周波数を可変に同調するように、QCLの動作温度を制御可能に変動させることをさらに含む、請求項30〜44のいずれかに記載の方法。
- 動作温度を制御可能に変動させることが、約195〜295°Kの範囲にわたり動作温度を制御可能に変動させることをさらに含む、請求項45に記載の方法。
- QCLを連続波(CW)モードで動作させるように、連続電流をQCLに印加することをさらに含む、請求項30〜46のいずれかに記載の方法。
- QCLをパルスモードで動作させるように、前記QCLにパルス電流を印加することをさらに含む、請求項30〜46のいずれかに記載の方法。
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