Laserlicht aus Wärme

  • 13. November 2012

Nur durch Wärme angetriebene Laser könnten einen völlig neuen Weg zur Kühlung von Mikrochips eröffnen.

Seit der Erfindung vor 50 Jahren hat das Laserlicht unseren Alltag erobert. In allen Lebensbereichen werden heute Laser unterschiedlichster Wellenlänge und Leistung eingesetzt, von der Unterhaltungselektronik über die Telekommunikation bis zur Medizin. Es sind jedoch nicht alle Wellenlängen gleich gut erschlossen. Für den Bereich der fernen Infrarot- und der Terahertz-Strahlung sind Quanten-Kaskadenlaser die technisch bedeutendste Quelle. Die Lichtverstärkung in einem solchen Kaskadenlaser wird durch eine wiederholte Abfolge aus präzise konstruierten Halbleiterschichten unterschiedlicher Dotierung erzielt. „Die Elektronen durchlaufen diese Struktur durch eine genau bestimmte Abfolge von Tunnelprozessen und Quantensprüngen und senden dabei kohärente Lichtteilchen aus“, erklärt Helmut Ritsch vom Institut für Theoretische Physik an der Universität Innsbruck. „Zwischen den einzelnen Schichten stoßen die Elektronen allerdings mit anderen Teilchen und erwärmen auf diese Weise den Laser.“ Quanten-Kaskadenlaser funktionieren deshalb nur gekühlt. Erhitzt sich ein Bauteil zu stark, erlischt das Laserlicht.

Die schematische Darstellung eines Quanten-Kaskadenlasers zeigt die Schichten aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien, die die rechts gezeigte Bandstruktur ergeben

Abb.: Die schematische Darstellung eines Quanten-Kaskadenlasers zeigt die Schichten aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien, die die rechts gezeigte Bandstruktur ergeben. (Bild: C. Deutsch)


Auf der Suche nach Möglichkeiten, die Wärmeerzeugung in Lasern zu begrenzen, hat Kathrin Sandner gemeinsam mit Ritsch nun überlegt, Temperaturunterschiede für den Betrieb des Lasers zu nutzen. Ihrer Arbeit zufolge lässt sich der Heizeffekt von Quanten-Kaskadenlaser durch trickreiche Veränderung der Dicke der Halbleiterschichten nicht nur vermeiden, sondern sogar umkehren. „Ein entscheidender Trick dabei ist es, warme und kalte Bereiche im Laser räumlich voneinander zu trennen“, erklärt Sandner. „In einem Temperaturgradienten-Laser werden die Elektronen im heißen Bereich thermisch angeregt und tunneln dann in den kühleren Bereich, wo sie Photonen emittieren.“ So entsteht ein Kreislauf, in dem Lichtteilchen ausgesandt und gleichzeitig Wärmeenergie aus dem System entzogen wird. „Zwischen den Emissionsschritten wird jeweils ein Gitterschwingungsquant absorbiert und dabei der Laser gekühlt. Entwickelt man diese Idee weiter, sieht man, dass die Präsenz von Phononen ausreichen kann, die gesamte Energie für die Laserverstärkung bereitzustellen“, so die Theoretikerin. Ein solcher Laser ließe sich dann ohne elektrischen Strom betreiben, solange der Temperaturunterschied besteht.

„Es ist sicher sehr herausfordernd, diese Idee im Experiment umzusetzen“, sagt Ritsch. „Wenn es aber gelingen sollte, wäre das eine echte technische Innovation.“ Das Prinzip lässt sich aber auch bereits auf bestehende Quanten-Kaskadenlaser anwenden und sorgt dort für eine interne Kühlung. Dieses eingeschränkte Konzept scheint relativ einfach umsetzbar und wird von Experimentalphysikern bereits geprüft. „Neben der konzeptuellen Eleganz dieser Idee, könnte sich hier ein völlig neuer Weg eröffnen, die Abwärme in Mikrochips nutzbringend zu verwenden, anstatt sie mittels aufwändiger Kühlung abführen zu müssen“, schließt Ritsch.

UI / OD

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