Quantum cascade laser-pumped terahertz molecular lasers: frequency noise and phase-locking using a 1560nm frequency comb

Autor: Ronald Holzwarth, S. Barbieri, Giorgio Santarelli, Jeffrey L. Hesler, Jean-Francois Lampin, Antoine Pagies, Wolfgang Hänsel
Přispěvatelé: Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - UMR 8520 (IEMN), Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF), Photonique THz - IEMN (PHOTONIQUE THz - IEMN), Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF), Laboratoire Photonique, Numérique et Nanosciences (LP2N), Université de Bordeaux (UB)-Institut d'Optique Graduate School (IOGS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Virginia Diodes Inc, Laboratoire Kastler Brossel (LKB (Lhomond)), Fédération de recherche du Département de physique de l'Ecole Normale Supérieure - ENS Paris (FRDPENS), École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Menlo Systems GmbH, PCMP CHOP, Renatech Network, ANR-11-EQPX-0015,Excelsior,Centre expérimental pour l'étude des propriétés des nanodispositifs dans un large spectre du DC au moyen Infra-rouge.(2011), Photonique THz - IEMN (PHOTONIQ THz - IEMN), Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Fédération de recherche du Département de physique de l'Ecole Normale Supérieure - ENS Paris (FRDPENS), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: Optics Express
Optics Express, 2020, 28 (2), pp.2091-2106. ⟨10.1364/OE.379960⟩
Optics Express, Optical Society of America-OSA Publishing, 2020, 28 (2), pp.2091-2106. ⟨10.1364/OE.379960⟩
Optics Express, Optical Society of America-OSA Publishing, 2020, 28 (2), pp.2091. ⟨10.1364/oe.379960⟩
ISSN: 1094-4087
Popis: International audience; The recent demonstration of a terahertz (THz) molecular gas laser pumped by a mid-infrared quantum cascade laser (QCL) has opened up new perspectives for this family of sources, traditionally relying on CO2-laser pumping. A so far open question concerning QCL-pumped THz molecular lasers (MLs) is related to their spectral purity. Indeed, assessing their frequency/phase noise is crucial for a number of applications potentially exploiting these sources as local oscillators. Here this question is addressed by reporting the measurement of the frequency noise power spectral density (PSD) of a THz ML pumped by a 10.3µm-wavelength QCL, and emitting 1mW at 1.1THz in continuous wave. This is achieved by beating the ML frequency with the 1080 th harmonic of the repetition rate of a 1560nm frequency comb. We find a frequency noise PSD < 10Hz 2 /Hz (-95dBc/Hz) at 100kHz from the carrier. To demonstrate the effect of the stability of the pump laser on the spectral purity of the THz emission we also measure the frequency noise PSD of a CO2-laser-pumped 2.5THz ML, reaching 0.1Hz 2 /Hz (-105dBc/Hz) at 40kHz from the carrier, limited by the frequency noise of the frequency comb harmonic. Finally, we show that it is possible to actively phase-lock the QCL-pumped molecular laser to the frequency comb repetition rate harmonic by controlling the QCL current, demonstrating a sub-Hz linewidth. 2
Databáze: OpenAIRE
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