مدلسازی و تحلیل لیزر کوانتومی آبشاری مادون قرمز دور

هدف از انجام این تحقیق، مدلسازی و طراحی لیزر کوانتومی آبشاری در گستره مادون قرمز دور (تراهرتز) است. در این لیزرها، فوتونها از طریق گذار میان زیرنوارها گسیل می شوند، این زیرنوارها همگی در نوار هدایت قرار گرفته اند. انتخاب طول موج فوتون با مهندسی پهنای چاه ها و سدها در ساختارهای ناهمگون با چند چاه کوانتومی صورت می گیرد. یکی از چالش های عمده بر سر راه این قبیل لیزرها حصول وارونگی جمعیت میان ترازهای انرژی با فاصله ی حدود ???4-40 mev در دمای بالا است. زیرا دراین گونه دماها فونونهای نوری طولی به وفور در محیط یافت می شوند. این فونون ها باعث پراکنده شدن الکترون های تراز بالایی لیزر شده، از طول عمر این تراز می کاهند. این رو حفظ وارونگی جمعیت در دماهای بالا میسر نمی شود. در این رساله، ابتدا تئوری حاکم بر لیزرهای کوانتومی آبشاری تراهرتز و تحلیل ریزش جمعیت حامل دراثر برهم کنش با فونون های نوری طولی در سامانه های gaas/algaas ارائه می شود. سپس با استفاده از حل توام معادله های شرودینگر و پواسن، به روش خودسازگار، توابع موج و ترازهای انرژی لیزر بدست می آید. در ادامه، عوامل مهم موثر در عملکرد لیزر از قبیل، چگالی فوتون های همدوس تولید شده، طیف بهره، و پاسخ مدولاسیون دینامیکی لیزر با دو روش معادلات دقیق نرخ و ماتریس چگالی تحلیل و زمان های گسیل القایی به ازای جریان های مختلف و همچنین پاسخ حالت پایدار لیزر محاسبه می شود. سپس، با تحلیل جریان تونل زنی تشدیدی از سدهای ساختار، تاثیر همدوسی و ناهمدوسی جفت شدگی ترازهای لیزر با دیگر ترازها بر روی ترابرد حامل ها، فرکانس نوسان رابی و واهلش همدوسی بررسی می شود. آنگاه با تحلیل جریان پارازیتی، نشان داده می شود که اثر آن بر روی لیزرهای تراهرتز و همچنین اثر میدان فوتون های تولید شده بر روی طیف بهره خروجی حائز اهمیت است. از این رو، با جفت کردن معادله نرخ فوتون با ماتریس چگالی، اثرهای جفت شدگی های پارازیتی و همچنین میدان حاصل از فوتون های تولید شده، در مدل سازی لحاظ می شود. درپایان، برای کاهش اثر جفت شدگی پارازیتی و همچنین کاهش پهنای خط (fwhm) طیف بهره، با اصلاح ساختار موفقی که قبلاً برای کار در فرکانس 4thz توسط دیگران ارائه شده بود، ساختار جدیدی طراحی می شود که در فرکانس 4.1thz لیز می کند. شبیه سازی ها نشان می دهد که در مقایسه با ساختار مبنا، در طرح جدید جفت شدگی پارازیتی و پهنای خط طیف بهره هر دو بیش از 50% کاهش یافته اند، درحالی که بیشینه بهره آن حدود 3/23 درصد افزایش یافته است.