Terahertz cascades from nanoparticles
在这篇文章中，我们提出了一个系统能够太赫兹辐射的量子产额以上的单位。该系统由纳米颗粒组成，其中材料组成沿着每个纳米颗粒的径向方向变化，使得出现等距离能级的阶梯。然后，通过激发这个阶梯的最高水平，我们在太赫兹范围内产生了多个相同频率的光子。我们演示了如何计算实现高量子产率的连续材料组合物分布，然后表明多壳纳米颗粒的实验友好设计仍然可以导致高量子产率。
2018-05-18 cond-mat.mes-hall
InGaAs/AlInGaAs THz Quantum Cascade Lasers operating up to 195 K in strong magnetic field
在磁场中测量了基于InGaAs阱和四元AlInGaAs势垒的太赫兹量子级联激光器。本研究是在四量子阱有源区设计上进行的，光子能量为14.3 meV，用Au和Cu波导进行处理。该异质结构在B=0 T和Cu波导中工作至148 K。完整的磁光谱研究允许发射和运输数据的比较。增加磁场，InGaAs阱的低有效质量使我们能够达到非常强的约束状态。在B=12 T时，回旋跃迁几乎与LO声子共振，我们记录了具有Cu波导的器件的最高工作温度为195 K。在磁场为7.3 ~ 7.7 T时，探测到5.9 meV的附加激光。
2015-02-20 cond-mat.mes-hall physics.optics
Material configurations for n-type silicon-based terahertz quantum cascade lasers
硅基量子级联激光器（QCL）提供了将相干太赫兹辐射源与硅微电子集成的前景。理论研究已经提出了各种n型SiGe基异质结构作为设计候选者，但最佳材料配置仍然不清楚。在这项工作中，优化算法被用来设计等效的THz QCL在三个最近提出的配置[（001）Ge/GeSi，（001）Si/SiGe和（111）Si/SiGe]，发射频率为3和4 THz。的电子和光学性质的系统比较。半经典电子输运模拟被用来模拟载流子动力学，并计算峰值增益，相应的电流密度和最高工作温度。结果表明，（001）Ge/GeSi结构在两个发射频率下都具有最佳的模拟性能。
2011-04-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Direct surface cyclotron resonance terahertz emission from a quantum cascade structure
沿着半导体量子阱的生长方向施加强磁场，产生离散能态的谱，即朗道能级。通过将量子级联结构的量子工程与静态磁场相结合，我们可以选择性地将电子注入量子阱的激发态朗道能级，实现基于回旋辐射的可调谐表面发射器件。通过施加0和1 - 2 T之间的适当磁场，我们证明了在宽范围的频率（1-2太赫兹和3-5太赫兹）从一个单一的设备发射。
2012-03-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
High dynamic range, heterogeneous, terahertz quantum cascade lasers featuring thermally-tunable frequency comb operation over a broad current range
我们报告工程的宽带量子级联激光器（QCL）发射太赫兹（THz）的频率，它利用异质有源区计划，并有一个电流密度动态范围（JDR）为3.2，显着大于最先进的，超过1.3太赫兹带宽。我们证明了所设计的宽带激光器作为太赫兹光学频率梳合成器工作在连续波，最大光输出功率为4 mW（0.73 mW的梳状制度）。模间拍音图的测量揭示了在连续106 mA电流范围内延伸的清晰的色散补偿频率梳状区（电流密度动态范围为1.24），显著大于在类似几何形状下报道的现有技术，相应的发射带宽为1.05 THz，检测到稳定且窄（4.15 KHz）的拍音，信噪比为34 dB。对电和热节拍调谐的分析表明，电流调谐系数范围在5 MHz/mA和2.1 MHz/mA之间，温度调谐系数为-4 MHz/K。通过温度和电流在整个动态范围内调谐THz QCL梳的能力为它们作为强大的光谱工具的使用铺平了道路，这些光谱工具可以提供宽频率覆盖范围和高精度光谱精度。
2019-01-25 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Terahertz frequency combs exploiting an on-chip solution processed graphene-quantum cascade laser coupled-cavity architecture
在太赫兹（THz）频率下设计具有超宽增益谱和群速度色散完全补偿的量子级联激光器（QCL）的能力是设计远红外单片和小型化光学频率梳合成器（FCS）的基本需求。在THz QCL四波混频中，由子带间增益介质的固有三阶极化率驱动，自锁相位中的光学模式，允许稳定的梳状操作，尽管在有限的动态范围内（约20%的激光器操作范围）。在这里，我们设计了小型化的THz FCS，其包括与紧密耦合的片上溶液处理的石墨烯可饱和吸收体反射器集成的异质THz QCL，即使在四波混频不再提供色散补偿时，该反射器也能保持激光模式之间的相位相干性。这使得高功率（8 mW）FCS具有超过90个光学模式，超过55%的激光器工作范围。此外，稳定的注入锁定显示，铺平了道路，影响一些关键的应用，包括高精度可调宽带光谱和量子计量学。
2020-11-23 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Monte Carlo Modeling of Terahertz Quantum Cascade Detectors
我们展示了一个强大的和严格的模拟光伏量子级联探测器（QCD）在中红外（中红外）和太赫兹（THz）范围内的Encavity蒙特卡罗（EMC）建模方法。将现有的量子级联激光器（QCL）电磁兼容（EMC）模拟工具扩展到零偏压下热平衡条件下QCD中的光伏输运效应。在这里，我们提出的电磁兼容性研究的太赫兹探测器设计的检测波长为84 $μ$ m的结果。模拟结果与实验数据吻合较好。在10 K温度下，我们得到了9.4 mA/W的峰值响应率。
2020-04-07 cond-mat.mes-hall physics.ins-det physics.optics
Unveiling spectral purity and tunability of terahertz quantum cascade laser sources based on intra-cavity difference frequency generation
基于中红外量子级联激光器（THz DFG-QCL）腔内差频产生的太赫兹源最近成为第一个能够在1-6 THz范围内在室温（RT）下工作的单片电泵浦半导体源。尽管在功率输出方面取得了巨大的进步，在室温下脉冲功率超过1 mW，连续波功率超过10 μW，但对于这些器件用于高精度光谱学的主要优点，如光谱纯度和绝对频率可调谐性，仍然缺乏了解。在这里，通过利用包括太赫兹频率梳状合成器的超声波级系统，我们测量，第一次，自由运行的发射线宽（LW），调谐特性，以及这些源的各个发射线的绝对频率与不确定性为4 × 10-10。公开的发射LW（400 kHz，1 ms积分时间）表明DFG-QCL非常适合作为本机振荡器工作，并用于各种需要窄线宽THz源的电子测量，光谱，通信和成像应用。
2018-04-27 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Controlling the harmonic conversion efficiency in semiconductor superlattices by interface roughness design
在半导体超晶格中，当布拉格振荡电子与输入电磁场相互作用时，频率倍增是可能的。理想的超晶格具有纯反对称的电压电流响应，因此只能产生奇次谐波。然而，现实世界的超晶格也可以具有偶次谐波响应，这增加了可能的输出频率范围。这些影响最近已经解释了一个预测模型，该模型结合了玻尔兹曼方程与非平衡格林函数方法的Ancillary解决方案。这种预测工具，加上最近在GHz输入源方面的进展，支持开发可以在GHz到THz范围内工作的紧凑型室温器件的兴趣日益增长。自然要问的问题是，可以期望什么样的效率。本文通过研究辐照半导体超晶格的功率转换效率来解决这个问题。界面缺陷一直包括在理论中，它们强烈影响的奇次谐波和偶次谐波的功率输出。预测的奇次谐波输出与实验数据在很宽的频率范围内得到了很好的一致性。所使用的固有转换效率是基于样品内部的输入场的估计幅度，因此与表征不同设置的几何因素无关。该方法开辟了通过控制接口质量来设计偶次谐波输出功率的可能性。
2019-01-28 cond-mat.mes-hall
Simulating terahertz quantum cascade lasers: Trends from samples from different labs
我们提出了一个系统的比较结果，从我们的非平衡格林函数形式主义与大量的AlGaAs-GaAs太赫兹量子级联激光器先前发表在文献中。对所有样品采用相同的材料和模拟参数，我们观察到，对于给定组的样品，测量和计算的峰值电流之间的差异相似。这表明实验和理论之间的差异部分是由于在不同实验室制造的设备缺乏可重复性。改变不同器件的界面粗糙度高度，我们发现激光操作下的峰值电流几乎没有变化，因此界面质量的差异似乎不是缺乏再现性的唯一原因。
2016-08-31 cond-mat.mes-hall
Self-Consistent Theory of the Gain Linewidth for Quantum Cascade Lasers
子带间跃迁的线宽可以显着降低到低于所涉及的状态的寿命加宽的总和，如果散射环境是类似的两个状态。这是研究在非平衡格林函数的方法在这里。我们发现，最近的，相对较低的掺杂，太赫兹量子级联激光器的效果是特别相关的。
2004-12-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.other
Temperature performance analysis of terahertz quantum cascade lasers: Vertical versus diagonal designs
采用系综蒙特卡罗方法，系统地比较了基于垂直和对角激光跃迁的共振声子减少太赫兹量子级联激光器。分析表明，对于低于200 K的工作温度，对角设计可以在约3.5 THz及以上的激光频率下提供优异的温度性能;然而，垂直结构在较低频率下更有利于良好的温度性能。
2011-06-16 cond-mat.mes-hall physics.optics
Quantum transport calculations for quantum cascade laser structures
我们应用基于非平衡格林函数的量子输运理论的量子级联激光器（QCL）结构，同时处理通过注入器区域的传输和由于在有源区的散射弛豫。量子动力学方程求解自洽使用自能界面粗糙度和声子散射过程内的自洽玻恩近似。通过这种方式，我们获得了电流密度J和给定能量E下的平均电子分布f（E），作为施加偏压的函数。作为一个测试案例，我们将理论应用于文献中报道的GaAs/Al_ xGa_{1-x} As QCL结构。理论结果重现良好报道的电压-电流（V-I）测量，也表明在一个偏置的人口反转，同意以及在观察到激光的电流和字段的范围。
2001-09-10 cond-mat.mes-hall
Terahertz spin-current transparency through rough interfaces
Charles University（查理大学）；Czech Academy of Science（捷克科学院）
通过太赫兹发射光谱研究Co|Pt异质结中界面粗糙度对自旋电流透明性的影响，发现尽管粗糙度和晶粒尺寸增大三倍，透明性仅下降约30%，表明超快时间尺度下界面自旋输运对形貌变化相对鲁棒。
2026-05-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Graphene vertical hot-electron terahertz detectors
提出并分析了基于双石墨层和多石墨层结构的垂直热电子太赫兹（THz）石墨烯层探测器（GLDs）的概念，其势垒层由具有适度导带偏移的材料（如二硫化钨等材料）制成。这些探测器的操作是通过来自GLS的电子发射来实现的，所述电子发射通过由入射THz辐射加热的电子来增强。电子加热主要与带内吸收（Drude吸收）有关。计算了不同GL数的GL探测器的响应率和探测率随光子能量、GL掺杂和外加电压的变化关系。基于级联多GL结构的探测器可以表现出相当大的光电增益，从而提高了响应率和探测率。所考虑的太赫兹探测器的优点与它们对正入射辐射的高灵敏度和在太赫兹频率范围的低端在室温下的高效操作相关联。这种具有金属光栅的GLD，支持通过入射THz辐射激发GL结构中的等离子体振荡，可以在几个THz的频率下表现出强的谐振响应（在该范围内，其中基于A $_3$ B $_5$材料的常规检测器，特别是THz量子阱检测器的操作由于这种材料中的强光学声子辐射吸收而受到阻碍）。
2014-09-02 cond-mat.mes-hall
A phonon scattering assisted injection and extraction based terahertz quantum cascade laser
提出并实验验证了一种基于声子-光子-声子连续发射的太赫兹量子级联激光器方案。所提出的结构的电荷输运建模使用速率方程形式主义。为了在150 K下使粒子数反转和振子强度的乘积最大化，开发了一个基于遗传算法的优化程序，在$\mathrm{GaAs/Al_{0.25}Ga_{0.75}As}$材料系统中找到一个四阱设计。用Au双金属波导制作的器件在3.2THz到138 K的温度下产生激光。的电特性显示在激光阈值，这表明-由于速率方程模型-较低的激光状态，一个缓慢的人口减少率，非平衡格林函数计算证实了一个假设的微分电阻下降的迹象。
2012-01-19 cond-mat.mes-hall
Density Matrix Modeling of Quantum Cascade Lasers without an Artificially Localized Basis: A Generalized Scattering Approach
我们推导了量子级联激光器的密度矩阵理论，通过广义散射超算符描述了散射对相干性的影响。该理论使定量建模QCL，包括本地化和隧道效应，使用定义良好的能量本征态，而不是临时本地化的基础状态所需的大多数以前的DM模型。我们的微观散射方法也消除了现象学过渡或退相速率的需要。我们讨论的物理解释和数值实现的理论，提出了一套能量分辨和热平均方程，可用于详细或紧凑的设备建模。我们通过模拟一个高性能的谐振声子太赫兹（THz）QCL设计，不能很容易或准确地使用传统的DM方法建模，说明了理论的应用。我们表明，该理论的列入相干性是至关重要的描述本地化和隧道效应与实验一致。
2017-08-25 cond-mat.mes-hall
Partially coherent electron transport in terahertz quantum cascade lasers based on a Markovian master equation for the density matrix
推导了适用于量子级联激光器的单电子密度矩阵的马尔可夫主方程。该方程保持了密度矩阵的正性，包括非对角元素（相干性）以及面内动力学，并考虑了电子与声子和杂质的散射。我们使用该模型来模拟太赫兹频率QCL，并通过非平衡格林函数（NEGF）与实验和模拟的结果进行比较。当QCL偏向最佳激光时，我们得到了与实验和NEGF非常好的一致性。对于所考虑的设备，我们表明，相干性的幅度可以是一个显着的分数的对角矩阵元素，这表明它们的重要性时，描述太赫兹QCL。我们表明，在平面内的能量分布可以偏离远离加热麦克斯韦分布，这表明简化的密度矩阵模型中的热化子带的假设是不够的。我们还表明，电流密度和子带职业放松对他们的稳态值在非常不同的时间尺度。
2016-04-04 cond-mat.mes-hall
Simulation of Transport and Gain in Quantum Cascade Lasers
量子级联激光器可以在不同的方法层次内建模：能级中电子密度的标准速率方程，微观分布函数的半经典玻尔兹曼方程，以及包括状态之间的相干演化的量子动力学。本文提出了一种基于非平衡格林函数的量子输运方法。这允许对器件的传输和光学增益进行定量模拟。将电流密度分为两个部分表明，半经典跃迁可能主导Sirtori等人的原型器件的输运，但对于最近的每周期只有几层的太赫兹激光器则不然。许多粒子的影响是非常依赖于异质结构的设计，并在这里考虑的情况下，包含在Hartree Fock水平的电子-电子相互作用，提供了一个相当大的变化吸收，但只赋予一个微小的位移的增益峰值。
2003-04-24 cond-mat.mes-hall
Rectified diode response of a multimode quantum cascade laser integrated terahertz transceiver
研究了太赫兹量子级联激光器中二极管的直流输运响应随激光电流的变化规律。的整体响应被描述为平行的贡献，由于二极管I-V的非线性和热激活的运输从激光场的整流。当激光器从单模改变到多模操作时，二极管响应中的突然跳跃，在输出功率中没有相应的跳跃，表明二极管和激光场之间的耦合取决于内部场的空间分布。结果表明，内部激光场直接耦合到集成二极管。
2016-05-10 cond-mat.mes-hall physics.optics
Nonequilibrium Green's function theory for transport and gain properties of quantum cascade structures
采用非平衡格林函数（NGF）理论研究了量子级联（QC）结构的输运和增益特性，该理论包含了超出玻尔兹曼输运描述的量子效应。在神经生长因子理论中，我们包括界面粗糙度，杂质，和电子-声子散射过程内的自洽玻恩近似，和电子-电子散射的平均场近似。有了这个理论，我们得到的非平衡稳态QC结构下施加的偏压的描述，因此，我们确定的传输特性，如这些结构的电流-电压特性。我们定义了两个贡献的电流，一个贡献驱动的散射自由部分的哈密顿量，和其他驱动的散射哈密顿量。我们发现，在这些结构中的电流的主要部分，在简单的超晶格结构相比，主要是由散射哈密顿量。此外，通过考虑结构的稳态对所施加的光场的线性响应，我们确定了线性极化率，从而确定了结构的增益或吸收光谱。从更严格的神经生长因子理论与更简单的模型得到的光谱的比较表明，在更简单的理论中，光谱往往被偏移到更高的值。
2002-12-03 cond-mat.mes-hall
Sub-cycle measurement of intensity correlations in the Terahertz range
太赫兹频率范围具有有趣的机会，超出了光谱学和物质控制的非常先进的应用。奇异的量子现象被预测为通过非平凡机制导致光发射。通常，这种发射机制是通过光子到达时间的时间相关测量来解开的，正如Hanbury Brown和Twiss的开创性工作所证明的那样。到目前为止，太赫兹范围错过了这种技术具有非常好的时间特性和高灵敏度的实验实现。在本文中，我们提出了一种基于电光采样的太赫兹光子相关测量方案。146 fs的时间分辨率比一个振荡周期更快，灵敏度到目前为止仅限于~1500个光子。利用这种技术，我们测量了太赫兹量子级联激光器的光子统计。所提出的测量方案允许，在原则上，测量带宽的光子和铺平了道路，太赫兹量子光学。
2015-12-16 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Intersubband transition engineering in the conduction band of asymmetric coupled Ge/SiGe quantum wells
n型Ge/SiGe非对称耦合量子阱代表了各种纳米级量子器件的构建块，包括最近提出的硅基太赫兹量子级联激光器的设计。在本文中，我们结合结构和光谱实验上的20个模块的上层结构，每个具有两个Ge井耦合通过富锗隧道势垒，作为设计的几何参数和P掺杂浓度的函数。通过太赫兹光谱数据与子带间光吸收共振的数值计算的比较，我们证明了通过设计来调节异质结构导带中量子限制子带的能量和空间重叠是可能的。样品的高结构/界面质量和子带杂化上实现的控制是朝向工作电泵浦发光器件的有希望的起点。
2020-02-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Thermal conductivity of III-V semiconductor superlattices
本文提出了一个研究III-V族半导体超晶格各向异性热输运的半经典模型。有效界面均方根粗糙度是唯一可调参数。层内的热输运由弛豫时间近似中的玻尔兹曼输运方程描述，并且受相关散射机制（三声子、质量差、以及声子的掺杂剂和电子散射）以及通过有效界面散射率捕获的界面的漫散射的影响。面内热导率由并联连接的层热导率获得。跨平面热导率是从彼此串联的层热导率和与每个界面相关联的热边界阻力（TBRs）计算的; TBRs主导跨平面传输。每个界面的TBR是从通过在声学失配模型（AMM）和扩散失配模型（DMM）之间插值获得的透射系数计算的，其中AMM透射系数的权重是与通常用于描述扩散界面散射的有效界面均方根粗糙度相关的相同的波长相关镜面反射参数。该模型被应用到多个III-砷化物超晶格，结果是非常好的协议与实验结果。该方法简单、准确，易于实现，适用于量子级联激光器有源区等复杂的光致发光系统。它也适用于具有高质量界面和主要非相干声子输运的其他SL材料系统。
2015-10-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
