Durchbruch in der Terahertz-Photonik
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
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung
J. Raab et al.: Ultrafast terahertz saturable absorbers using tailored intersubband polaritons, Nat. Commun. 11, 4290 (2020); DOI: 10.1038/s41467-020-18004-8 - Huber-Gruppe, Institut für experimentelle und angewandte Physik, Universität Regensburg
- National Enterprise for Nanoscience and Nanotechnology, Pisa, Italien
- School of Electronic and Electrical Engineering, University of Leeds, Großbritannien
