Doppelt ergibt Vierfach

Terahertzwellen durchdringen viele Materialien und eignen sich ausgezeichnet zum Aufspüren von zahlreichen Molekülen. Erzeugen lässt sich Terahertz­licht mit Hilfe von Quanten­kaskaden­lasern, die nur wenige Millimeter groß sind. Diese ganz besondere Art von Lasern besteht aus maßgeschneiderten Halbleiter­schichten im Nanometer­bereich. An der TU Wien gelang nun ein neuer Weltrekord: Die spezielle Verschmelzung von symmetrischen Laser­strukturen erzielt eine viermal so hohe Lichtleistung wie bisher.

In jeder Schicht des Quanten­kaskaden­lasers können die Elektronen nur ganz bestimmte Energie­niveaus annehmen. Liegt genau die richtige elektrische Spannung an, springen die Elektronen von Schicht zu Schicht und geben dabei jedes Mal Energie ab. So lässt sich die exotische Terahertz­strahlung mit einer Wellenlänge im Submillimeter­bereich effizient erzeugen.

Viele Moleküle absorbieren Licht in diesem Wellenlängen­bereich auf ganz charakteristische Weise, wodurch ein optischer Finger­abdruck entsteht. Dank dieser Eigenschaft kann Terahertz­licht für chemische Detektoren eingesetzt werden. Auch für bildgebende Verfahren in der Medizin ist diese Strahlung hochinteressant: Einerseits hat sie weniger Energie als Röntgen­strahlung, ist also nicht ionisierend und daher ungefährlich, andererseits hat sie aber eine kürzere Wellenlänge als Mikro­wellenstrahlung, was zu besserer Auflösung führt.

Diese Möglichkeiten erinnern stark an den legendären „Tricorder“ aus der TV-Serie „Star Trek“, einem tragbaren multifunk­tionalen Analyse- und Diagnosegerät. Neben einer kompakten Lichtquelle ist für Messungen an entfernten Objekten und für bildgebende Verfahren aber auch eine hohe optische Leistung erforderlich.

Eine Möglichkeit die Laser­leistung zu erhöhen ist eine größere Anzahl von Halbleiter­schichten zu verwenden. Je mehr Schichten der Laser hat, umso öfter wechselt das Elektron beim Durchgang den Energie­zustand und umso mehr Photonen werden ausgesandt. Die Herstellung eines Lasers mit vielen Schichten ist allerdings schwierig, hier stößt man auf technolo­gische Grenzen. Dem Team rund um Karl Unterrainer vom Institut für Photonik der TU Wien gelang es nun allerdings, zwei separate Quanten­kaskaden­laser durch einen Bonding-Prozess präzise übereinander zu stapeln.

„Das klappt aber nur bei einem ganz speziellen Design der Quanten­kaskaden­struktur“, erklärt Christoph Deutsch, „mit herkömmlichen Halbleiterlasern wäre das prinzipiell unmöglich.“ Man benötigt dazu symmetrische Laser, durch welche Elektronen in beiden Richtungen gleichermaßen hindurch­wandern können. Das Team musste daher zuerst die herstellungs­bedingten Asymmetrien der Laser erforschen und kompensieren.

Je mehr Schichten der Laser hat, umso öfter kann ein Elektron den Energie­zustand wechseln und umso mehr Photonen werden erzeugt. Zusätzlich wird die Effizienz aufgrund verbesserter optischer Eigenschaften erhöht. „Deshalb bringt eine Verdoppelung der Halbleiterschichten sogar eine Vervier­fachung der Leistung mit sich“, erklärt Martin Brand­stetter. Der bisherige Weltrekord für Terahertz-Quanten­kaskaden­laser wurde mit knapp 250 Milliwatt vom Massachusetts Institute of Technoloy (MIT) erzielt, der TU-Laser erreicht nun ein ganzes Watt, eine wichtige Hürde für den Einsatz von Terahertz-Quanten­kaskaden­lasern.

TU Wien / OD