Laser a Cascata Quantica in quasicristalli fotonici bidimensionali

Durante l’ultimo decennio è stata svolta un’intensa attività di ricerca volta a generare sorgenti luminose in grado di emettere radiazione nella regione dello spettro elettromagnetico compresa tra i 30µm e i 1000µm di lunghezza d’onda (regione THz). A causa della bassa energia del fotone (1–40meV) l’implementazione di sorgenti laser a semiconduttore operanti all’interno della regione del THz risulta particolarmente complicata. Progressi ragguardevoli sono stati ottenuti a seguito della realizzazione di sorgenti laser a cascata quantica (QCL) operanti nella regione del THz. I livelli energetici degli stati che sostengono l’emissione di radiazione luminosa all’interno di un QCL sono sostanzialmente indipendenti dal band-gap elettronico dei materiali semiconduttori utilizzati, ma sono determinati dallo spessore degli strati che compongono l’eterostruttura. Questa particolare progettazione permette di ingegnerizzare opportunamente le transizioni intersottobanda, consentendo ai QCL di coprire l’intera regione dello spettro elettromagnetico dal medio al lontano infrarosso (dai 3µm ai 300µm di lunghezza d’onda). Nei QCL operanti nella regione del THz (QCL THz), la guida d’onda per la radiazione elettromagnetica è realizzata (nella maggior parte dei casi) inserendo la eterostruttura tra uno strato metallico (nella parte superiore) ed uno strato inferiore ad alto drogaggio (guide d’onda SISP, Semi Insulating Surface Plasmon) oppure tra due strati metallici (guide d’onda MM, Metal Metal). Il fascio della radiazione uscente risulta avere tipicamente una elevata divergenza ottica, a causa delle strutture geometriche stesse trapezoidali dei dispositivi. Per ovviare a questo problema sono stati sviluppati laser QCL con emissione superficiale, in cui un pattern opportuno di scatteratori è inciso sullo strato di metallizzazione superiore del dispositivo. In particolare, un pattern periodico di scatteratori agisce per la radiazione elettromagnetica all’interno della eterostruttura come un cristallo fotonico (PC). Il campo elettrico all’interno di un QCL risulta essere orientato nella direzione di crescita degli strati: questo rende complicata la progettazione di un QCL THz con emissione superficiale. In generale infatti, nei QCL THz la radiazione estratta non risulta ben collimata e con intensità uniforme, aspetto rilevante per diversi tipi di applicazioni tecnologiche. Inoltre, per motivi di simmetria, il modo della radiazione elettromagnetica su cui il laser opera, presenta una bassa efficienza radiativa. Il presente lavoro di tesi verte sullo studio teorico e sulla realizzazione sperimentale di dispositivi QCL con emissione superficiale basati su quasicristalli fotonici (PQC); lo studio teorico effettuato su questo tipo di strutture ha evidenziato l’esistenza di un modo “quasi-stazionario”, con un buon fattore di qualità ed un un profilo di emissione uniforme e contenuto all’interno di un cono con apertura di circa 5 gradi. I PQC a differenza dei PC, non godono di alcuna simmetria traslazionale, ma sono caratterizzati comunque dall’essere strutture ordinate. Il PQC usato in questo lavoro è stato realizzato a partire da una tessellatura di Penrose tipo P2, sostituendo ai vertici dei triangoli di Robinson, degli scatteratori circolari di raggio opportuno. A causa dell’assenza di simmetria traslazionale si sono effettuati i calcoli su una struttura limitata e bidimensionale utilizzando il Metodo dell’Indice di rifrazione Efficace (EIM), con un solutore numerico FD-FEM (Metodo agli Elementi Finiti nel Dominio della Frequenza). Le stime numeriche ottenute implementando i metodi citati su dispositivi THz QCL operanti a 3THz hanno evidenziato la possibilità di ingegnerizzare strutture QCL quasiperiodiche in cui l’emissione di radiazione avviene in maniera uniforme e ben collimata. I primi test di fabbricazione e caratterizzazione di dispositivi QCL THz con struttura aperiodica di tipo Penrose style hanno esibito un regime di trasporto quantistico adeguato alle strutture attive di riferimento, potenziale per lo studio delle proprietà ottiche dei suddetti emettitori