Quantenkaskadenlaser liefern mehr Licht

  • 07. August 2017

Doppelreflexion an Mikrostrukturen verstärkt Emission von Tera­hertz­strahlung in eine Vor­zugs­richtung.

Quantenkaskadenlaser bilden eine noch recht junge Klasse von Licht­quellen für Infrarot- und Tera­hertz­strahlung. Dennoch finden sie bereits zuneh­mend Anwen­dung in der Medizin­technik oder für spektro­sko­pische Analysen. Am Massa­chusetts Insti­tute of Techno­logy gelang es jetzt der Arbeits­gruppe um Qing Hu, die Inten­sität dieser Laser, deren Struk­turen selbst um ein Viel­faches kleiner sind als die Wellen­länge der emit­tierten Strah­lung, fast zu verdoppeln.

Nanolaser

Abb.: Mikrostrukturen eines Tera­hertz-Lasers mit nahe­zu ver­dop­pel­ter In­ten­si­tät (künst­le­ri­sche Dar­stel­lung; Bild: A. Kha­lat­pour et al., MIT).

Als Basis für ihre Experiment wählten Hu und seine Kollegen einen Quanten­kaskaden­laser, der aus Dutzenden nur wenige Nano­meter dünnen Schichten aus Verbin­dungs­halb­leitern wie Gallium­arsenid und Aluminium­gallium­arsenid auf­ge­baut war. Für die Erzeu­gung der Licht­pulse nutzt diese Laser­klasse nicht wie her­kömm­liche Laser strah­lende Über­gänge zwischen Valenz- und Leitungs­band, sondern ver­schie­dene Energie­niveaus inner­halb des Leitungs­bands. Dank dieser Inter­sub­band-Über­gänge lässt sich abhän­gig vom Mate­rial und von der Struk­tur der Halb­leiter­schichten auch die Wellen­länge des Lasers ver­ändern.

Wegen des symmetrischen Aufbaus der dünnen Halb­leiter­schichten senden diese Laser ihre Strah­lung sowohl in Vor­wärts- als auch in Rück­wärts­richtung in gleicher Inten­sität aus. Hu und seine Kollegen suchten nun nach einer Mög­lich­keit, mög­lichst viel Licht nur in eine Richtung zu lenken, um die Inten­sität des nutz­baren Lichts deut­lich zu erhöhen. Dazu ent­wickel­ten sie ein neues Konzept für einen uni­direk­tio­nalen Laser, dessen Ver­halten sie zuerst mit auf­wän­digen Berech­nungen der Emission und der Laser­struk­turen simu­lierten.

Die Idee der Forscher basierte auf einer geschickten Anord­nung von Dutzenden mikro­meter­feinen Reflek­tor­ele­menten hinter der eigent­lichen Laser­licht­quelle. Diese Ele­mente ermög­lich­ten wieder­holte Doppel­reflexi­onen der emit­tierten Strah­lung. Abstände und Größe der Reflek­tor­ele­mente stimmten sie dabei so fein auf­ein­ander ab, dass nach hinten aus­tre­tende Licht­wellen sich über Inter­ferenz­effekte nahe­zu aus­löschten. Doch parallel kam es bei den Licht­wellen in Vor­wärts­richtung zu einer kon­struk­tiven Über­lagerung. Nach vorne emit­tierte Strah­lung zeigte eine etwa acht­fach höhere Leistung als die nach hinten gerich­tete. Dank dieses Effekts ließ sich die Inten­sität der nutz­baren Strah­lung auch experi­men­tell etwa um den Faktor 1,8 erhöhen.

Für ihre Testmessungen nutzten Hu und seine Kollegen einen Quanten­kaskaden­laser, der Tera­hertz­strahlung mit einer Wellen­länge von knapp achtzig Mikro­metern und einer Frequenz von 3,83 Tera­hertz aus­sendete. Die Forscher sind davon über­zeugt, dass sich ihre Methode auch auf andere Wellen­längen im lang­welligen Bereich der Infra­rot- und Tera­hertz­strahlung über­tragen lässt. Sollte dieser Schritt in weiteren Ver­suchen gelingen, stünde eine relativ einfache Methode zur Ver­fügung, um inten­sivere Laser­licht­quellen vor allem für spektro­sko­pische Analysen ent­wickeln zu können.

Jan Oliver Löfken

RK

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