Forschung

Durchbruch in der Terahertz-Photonik

27.08.2020 - Sättigbare Absorber für ultraschnelle Quantenkaskaden-Laser entwickelt.

Terahertzstrahlung eröffnet ein viel­fältiges Spektrum von Anwendungen, das sich von Sicherheits­scannern an Flughäfen über Spurengas­detektion bis hin zu ultra­schneller Kommunikations­technologie und Medizin­technik erstreckt. Viele weitere Technologien könnten hinzukommen, wenn ultrakurze Impulse direkt aus elektrisch gepumpten, kompakten Terahertz-Lasern, den Quanten­kaskaden­lasern, erzeugt werden könnten. Diese funktionieren bisher jedoch nur im Dauer­strich­betrieb, also ohne zeitliche Variation der Leistung.

Mittels sättigbarer Absorber ließen sich kosten­günstigen Quanten­kaskaden­lasern kurze Terahertz­impulse leicht entlocken. Die Funktions­weise eines sättigbaren Absorbers lässt sich mit der eines beschlagenen Spiegels vergleichen, der wieder klar wird, sobald ausreichend intensives Licht darauf fällt. Bringt man ein solches Element in einen Quanten­kaskaden­laser ein, so reicht die Licht­intensität im Fall kontinuier­licher Licht­emission nicht aus, um den Spiegel klar werden zu lassen – die hohen Verluste lassen den Laser nur schwaches oder gar überhaupt kein Licht emittieren. Konzentriert sich die gesamte Leistung des Lasers hingegen in einem einzigen, kurzen Lichtimpuls, so ist dieser intensiv genug, um den Absorber zu sättigen. Hierbei erfährt das Licht erheblich geringere Verluste, sodass er eine Präferenz für diesen Betriebs­modus ausbildet. Bislang allerdings waren sättigbare Absorber für den Terahertz-Spektral­bereich schwer zu realisieren und erforderten darüber hinaus Licht­intensitäten weit jenseits der Möglich­keiten eines Quanten­kaskaden­lasers.

Um eine neue Klasse sättig­barer Absorber zu entwickeln, ließ sich das Team um Rupert Huber von der Uni Regensburg, Miriam Vitiello von National Enterprise for Nano­science and Nano­technology NEST in Pisa und Edmund Linfield von der University of Leeds von der Musik inspirieren: Woher stammt zum Beispiel der einmalige Klang eines Steinway-Klaviers? Das Geheimnis liegt nicht in den Saiten, sondern im Resonanz­körper. Dort entstehen Klang und Dynamik nach einem Tasten­anschlag. „Im Grunde über­nehmen wir diese Idee in die Terahertz-Optik“, sagt Jürgen Raab von der Uni Regensburg.

Die Gruppe von Vitiello entwickelte eine mikro­struk­turierte Anordnung, bestehend aus einem Goldspiegel und einem Goldgitter, welche zusammen als Resonanz­körper für Terahertz-Strahlung wirken. Dessen Resonanzen können stark mit Elektronen in speziellen Halbleiter-Nano­strukturen gekoppelt werden, welche in der Gruppe von Linfield auf eine einzelne Atomlage genau hergestellt wurden. Mit einer an der Uni Regensburg entwickelten hoch­präzisen Zeitlupen­kamera beobachteten die Wissen­schaftler, wie die neuen Strukturen auf einen kräftige Anregung mit einem intensiven Terahertz-Impuls reagiert.

Auf der Zeitskala von Femto­sekunden zeigte sich ein verblüffendes Ergebnis: Der Absorber sättigte bereits bei einer um einen Faktor 10 geringeren Intensität als die reine Halbleiter­struktur allein. Diese Reaktion setzte darüber hinaus schneller ein als eine einzelne Licht­schwingung des Terahertz-Impulses und der „Ton“ verwandelte sich während der Sättigung so, dass nahezu keine Absorption des intensiven Terahertz-Impulses erfolgte. Vitiello ist begeistert: „Wir halten nun alle nötigen Komponenten in Händen, um ultra­schnelle Quanten­kaskaden­laser mit sättig­baren Absorbern zu bauen“.

Da Terahertz­strahlung tausendfach schneller als die Taktraten moderner Computer oszilliert, könnten ultra­kurze Terahertz­impulse eine neue Generation von Tele­kommunikations­verbindungen ermöglichen – weit schneller als 5G. Auch wichtige Fortschritte im Bereich der chemischen Analytik und der medizinischen Diagnostik sind denkbar. Ein wichtiger Meilenstein auf diesem Weg ist nun erreicht.

U. Regensburg / RK

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