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Einer Gruppe von Forschern der TU Wien und der ETH Zürich gelang es, ultrakurze Terahertz-Lichtpulse
zu erzeugen. Diese nur wenige Pikosekunden langen Pulse sind hervorragend für spektroskopische Anwendungen
geeignet und ermöglichen ultragenaue Frequenzmessungen.
Zürich/Wien (tu) - Die einzigartigen Eigenschaften von Terahertzstrahlung macht sie sehr interessant
für zahlreiche Anwendungen wie nicht-invasive Bildgebung in der Medizin oder Detektion von gefährlichen
Stoffen. Terahertzwellen durchdringen viele Materialien, die für sichtbares Licht undurchsichtig sind. Im
Vergleich zu Röntgenstrahlung sind sie auch ungefährlich für biologisches Gewebe. Außerdem
besitzen viele Substanzen einen molekularen Fingerabdruck im Terahertzbereich, wodurch sie mittels spektroskopischer
Verfahren aufgespürt werden können. Eine effiziente Möglichkeit solche Terahertzwellen zu erzeugen
sind sogenannte Quantenkaskadenlaser, welche in der Arbeitsgruppe von Prof. Karl Unterrainer am Institut für
Photonik der TU Wien hergestellt und erforscht werden. Quantenkaskadenlaser bestehen aus einer genau definierten
Abfolge von mehreren hundert, nur wenige Nanometer dicken, Halbleiterschichten.
Dieser besondere Aufbau ermöglicht es, die Energieniveaus, in denen sich die Elektronen in der Halbleiterstruktur
aufhalten, frei zu wählen. Somit kann die Frequenz des ausgestrahlten Laserlichts angepasst und auf die gewünschte
Anwendung zugeschnitten werden.
Ein breitbandiges „Laser-Sandwich“ generiert einen Licht-Kamm
Diese Besonderheit, dass die Laserwellenlänge selbst bestimmt werden kann, erlaubt es mehrere Quantenkaskadenstrukturen
mit unterschiedlichen Emissionsfrequenzen aufeinanderzustapeln, mit dem Ziel breitbandige Terahertzstrahlung zu
erzeugen. „Solche heterogene Aktive Zonen sind optimal geeignet, um breitbandige Terahertzverstärker zu realisieren
und um ultrakurze Terahertzpulse zu erzeugen“, erklärt Dominic Bachmann vom Institut für Photonik. Gelingt
es zusätzlich die diskreten Laserlinien miteinander zu koppeln, das heißt eine feste Phasenbeziehung
zwischen den Lasermoden herzustellen, entsteht ein sogenannter Frequenzkamm. Mit einem Frequenzkamm kann die Absolutfrequenz
des verwendeten Lichts sehr genau gemessen werden – essentiell für unzählige Anwendungen. Die Erfindung
des Frequenzkamms hat die optische Metrologie geradezu revolutioniert und wurde 2005 mit dem Nobelpreis für
Physik ausgezeichnet.
In den letzten vier Jahren wurde im EU-Projekt TERACOMB intensiv an einem auf Quantenkaskadenlaser basierenden
Terahertz-Frequenzkamm geforscht. Unter der Leitung von Dr. Juraj Darmo vom Institut für Photonik gelang es
dem Team aus internationalen Forschungsgruppen den ersten breitbandigen halbleiterbasierten Terahertz-Frequenzkamm
zu realisieren.
Den Laser bei der Arbeit beobachten
Eine in der Gruppe von Prof. Unterrainer entwickelte Methode erlaubt es, interne Parameter von Quantenkaskadenlasern
während des Laserbetriebs zu untersuchen. Die Technik beruht auf der zeitaufgelösten Spektroskopie, in
der breitbandige Terahertzpulse die zu messende Probe durchdringen. Diese auf Femtosekunden-Laser basierte Technik
ermöglicht es den vollständigen Informationsgehalt des Zeit- und Frequenz-Bereichs in einer einzigen
Messung zu erfassen. Dadurch gelang es den Forschern des Instituts für Photonik den optischen Gewinnkoeffizienten
und die optische Dispersion in breitbandigen Terahertz-Quantenkaskadenlasern quantitativ zu bestimmen, sowie die
komplexen Dynamiken besser zu verstehen. „Diese Erkenntnisse erlauben es, die Bandbreite der Laser weiter zu erhöhen
und die Leistungsfähigkeit der Frequenzkämme zu verbessern“, erläutert Juraj Darmo.
Maßgeschneiderte Verluste
Ein bisher ungelöstes Problem bei Terahertz-Quantenkaskadenlasern war die Existenz von Laserlinien mit
unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten. Das Vorhandensein von Lasermoden mit höherer lateraler Ordnung
führt dazu, dass die Intensität sehr inhomogen zwischen den Laserlinien verteilt wird, reduziert die
nutzbare Bandbreite und verhindert die Entstehung eines Frequenzkamms. Um zu verhindern, dass diese Moden anschwingen
können, müssen die Verluste so stark erhöht werden, dass sie die Laserschwelle nicht erreichen.
Durch das Hinzufügen eines maßgeschneiderten Seitenabsorbers an den Kanten des Laserresonators gelang
es den Forschern, die höheren lateralen Moden vollständig zu unterdrücken, ohne die fundamentalen
Moden relevant zu beeinflussen. Dies führte zu einer Emissionsbandbreite, die sich über eine volle Oktave
erstreckt, zu einer sehr homogenen Modenverteilung in den zentralen 700 GHz und einem Frequenzkamm mit einer Bandbreite
von 440 GHz.
Außerdem ermöglichen die Seitenabsorber die Erzeugung von ultrakurzen Terahertzpulsen mit Pulsbreiten
von weniger als 3 ps. Dies entspricht einem neuen Weltrekord von Quantenkaskadenlaser generierten Terahertz Pulsen.
„Es war wirklich erstaunlich zu sehen, wie eine relativ kleine Anpassung des Wellenleiters eine derart immense
Verbesserung bewirkt, erzählt Dominic Bachmann, der gerade seine Dissertation über breitbandige Quantenkaskadenlaser
abgeschlossen hat.
Originalpublikationen
Bachmann et al., „Short pulse generation and mode control of broadband
terahertz quantum cascade lasers“, Optica 3, 1087 (2016), DOI: 10.1364/OPTICA.3.001087.
https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-3-10-1087
Bachmann et al., “Dispersion in a broadband terahertz quantum cascade laser”, Appl. Phys. Lett. 109, 221107 (2016),
DOI: 10.1063/1.4969065.
http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4969065
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