Mustergültige Modenkontrolle

  • 14. February 2017

Weltrekord für ultrakurze, von Quantenkaskadenlaser generierte Terahertz-Pulse.

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, weshalb sie sich mittels spektro­skopischer Verfahren aufspüren lassen. Eine effiziente Möglichkeit, Terahertz­wellen zu erzeugen, sind Quanten­kaskaden­laser, welche in der Arbeits­gruppe von Karl Unterrainer am Institut für Photonik der TU Wien hergestellt und erforscht werden.

Abb.: Darstellung eines breitbandigen Terahertzverstärkers, basierend auf einem Quantenkaskadenlaser (Bild: TU Wien)

Abb.: Darstellung eines breitbandigen Terahertzverstärkers, basierend auf einem Quantenkaskadenlaser (Bild: TU Wien)

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 lässt sich die Frequenz des ausgestrahlten Laserlichts anpassen und auf die gewünschte Anwendung zuschneiden.

Diese Besonderheit, dass man die Laserwellenlänge selbst bestimmen kann, erlaubt es mehrere Quanten­kaskaden­strukturen mit unterschiedlichen Emissions­frequenzen aufeinander­zustapeln, mit dem Ziel breitbandiger Terahertz­strahlung. „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 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 Juraj Darmo vom Institut für Photonik gelang es dem Team aus internationalen Forschungs­gruppen, den ersten breitbandigen halbleiter­basierten Terahertz-Frequenzkamm zu realisieren.

Eine in der Gruppe von Karl 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.

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 Gigahertz und einem Frequenzkamm mit einer Bandbreite von 440 Gigahertz.

Außerdem ermöglichen die Seitenabsorber die Erzeugung von ultrakurzen Terahertz­pulsen mit Puls­breiten von weniger als drei Pikosekunden. 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.

TU Wien / DE

Share |

Verwandte Beiträge

Webinar

Einführung in die Simulation von Halbleiter-Bauelementen

  • 30. November 2017

Von Mosfets über LEDs bis zu Wafern – Halb­leiter­bau­elemente sind essen­tielle Bestand­teile moderner Tech­nik in nahezu allen Bran­chen. Die nume­ri­sche Simu­la­tion kann dabei ein wich­ti­ges Hilfs­mit­tel dar­stel­len, um diese Bau­elemen­te in ihrer Funk­tions­weise zu analy­sie­ren und somit deren Kon­zep­tion zu er­leich­tern.

Alle Webinare »

Site Login

Bitte einloggen

Andere Optionen Login

Website Footer