Kohärente Intersubband-Dynamik in GaAs-AlGaAs-Quantum-Well-Strukturen

Es werden verschiedene kohärente Prozesse untersucht, die bei der Wechselwirkung intensiver, ultrakurzer Laserimpulse mit Elektronen aus den Subbandsystemen der Leitungsbänder spezieller GaAs/AlGaAs-Quantum Well-Strukturen auftreten können. Im Fokus des Interesses stehen dabei die kohärente Intersubband-Polarisation nach optischer Anregung, die quantenmechanischen Kohärenz- und Interferenzeffekte der elektromagnetisch induzierten Absorption (EIA) und der elektromagnetisch induzierten Transparenz (EIT), die optische Präparation spinpolarisierter Elektronengase sowie die stimulierte Intersubband-Emission im mittleren infraroten Spektralbereich (MIR). Die kohärente Dynamik nach optischer Anregung der auf Temperaturen in der Größenordnung von 10K abgekühlten Proben wird zeitlich und spektral aufgelöst in MIR/MIR-Anrege-Abfrage-Transmissionsexperimenten mit einer Pikosekunden (ps)-Zeitauflösung untersucht. Für die Experimente zur Untersuchung kohärenter Intersubband-Anregungen werden die ersten beiden angeregten Zustände eines Subbandsystems über den gemeinsamen Grundzustand mit Hilfe intensiver, ultrakurzer Anregungsimpulse nach dem Schema eines V-Systems gekoppelt. Im Falle gleichzeitiger Anregung beider Übergänge mit gegenüber den Intersubband-Resonanzen leicht verstimmten Frequenzen sind fast resonant mit der e1-e2-Intersubband-Resonanz-Zentralfrequenz zeitliche ps-Oszillationen des Ausbleichsignals zu messen. Die Simulation des durchgeführten Anrege-Abfrage-Experiments durch die numerische Lösung der Maxwell-Bloch-Gleichungen zeigt, dass die gemessenen Oszillationen von kohärenter Natur und ein Ausdruck kohärenter Licht-Materie-Wechselwirkung zwischen dem Subbandsystem und dem Laserwellenfeld sind. In einem zweiten Experiment werden EIA und EIT in einem Quantum Well-Kaskade-Subbandsystem nachgewiesen. Beide Effekte wurden erstmals an einer Probe, erstmals in einem Kaskade-Subbandsystem einer asymmetrischen Struktur und mit ultra-kurzen 2ps-Impulsen demonstriert. Als Anwendung bieten sich beispielsweise nicht-resonant adressierte ultraschnelle optische Schalter für die Signalverarbeitung an. Im Hinblick auf Anwendungen in der Spin-Elektronik wurde außerdem die Möglichkeit der unipolaren optischen Präparation spinpolarisierter Elektronengase in einer symmetrischen GaAs/AlGaAs-Quantum Well-Struktur untersucht. Durch Intersubband-Absorption zirkular polarisierter Strahlung soll eine Spin-Polarisation des Elektronengases erreicht werden. Eine mit einem zirkular polarisierten Abtastimpuls gemessene kohärente zeitliche Oszillation des Ausbleichsignals nach zirkular polarisierter Anregung in der Übergangsbande liefert hier einen indirekten Hinweis auf eine mögliche Spin-Aufspaltung der Subbänder von etwa 0.6meV. Weitere Anrege-Abfrage- sowie Lumineszenzexperimente beschäftigen sich mit der Verbesserung der Emissionseigenschaften optisch gepumpter Intersubband-Laser im MIR, wie sie z. B. in der Infrarot-Umweltsensorik Anwendung finden. Das betrachtete laseraktive Medium ist die Epischicht einer asymmetrischen, tunnelgekoppelten GaAs/AlGaAs-Doppel-Quantum Well-Struktur. Die Emissionseffizienz der Struktur beträgt etwa 10-4 bei 15K und ist vergleichbar mit der eines QF-Lasers. Die Emissionsdauer für die vorgestellten Experimente liegt allerdings nicht im Nanosekunden-Bereich, sondern ist ultrakurz, und der Halbleiter-Laser ist mit Pikosekunden-Impulsen synchronisierbar.