Durchstimmbarer Terahertz-Laser

Terahertz-Laser emittieren elektromagnetische Strahlung mit Wellen­längen zwischen fünfzig und tausend Mikro­metern. Anwendung finden sie in der Spektro­skopie, für bild­gebende Verfahren und bei der Analyse von heißen Plasmen wie in Fusions­reaktoren. Eine neue Methode, die Wellen­länge von Tera­hertz-Lasern kontrolliert zu verändern, fanden nun britische Forscher um Subhasish Chakraborty und den Nobel­preis­träger und Graphen-Entdecker Konstantin Novoselov an der University of Manchester. Ihr Ansatz könnte zu einer breiteren Verwendung von Tera­hertz-Lasern für die Unter­suchung bio­lo­gischer Proben oder in photo­nischen Modulen führen.

„Diese Experimente ebnen den Weg für die Entwicklung einer neuen Generation von Tera­hertz-Halb­leiter-Lasern“, sagt Chakraborty. Mit seinen Kollegen ging er von dem bereits bekannten Prinzip eines Quanten­kaskaden­lasers aus, der korre­lierte Tera­hertz-Strahlung über Elektronen­über­gänge inner­halb eines Leitungs­bands emittieren kann. Diesen aus Verbindungs­halb­leitern auf­ge­bauten Laser ergänzten sie mit einem in un­regel­mäßigen Abständen mit Nano­schlitzen präpa­rierten Wellen­leiter, über den die Tera­hertz-Laser­pulse ausge­koppelt werden können.

Auf diesen Wellenleiter legten die Forscher nun eine dünne Schicht aus Graphen. Diese Schicht aus nur einer Lage von Kohlen­stoff­atomen deckten die Physiker mit einem isolie­renden Polymer ab. Elek­trisch ange­regt emit­tierte dieser Laser Tera­hertz-Pulse im Frequenz­bereich knapp unter drei Tera­hertz. Wurde aber eine Steuer­spannung von einem Volt an die Graphen­schicht ange­legt, domi­nierte die Emission bei etwa 2,95 THz. Die Inten­si­täten der anderen Frequenzen waren deutlich geringer.

Verantwortlich für diesen Effekt sind Ober­flächen­plasmonen in der Graphen­schicht. Diese kollek­tiven Dichte­schwankungen von Elek­tronen bilden sich in Abhän­gig­keit der Steuer­spannung aus und führen zu der bevor­zugten Emission von Tera­hertz-Pulsen einzelner Frequenzen. Damit belegten die Forscher, dass zwei­dimensionale Graphen­schichten zur Frequenz­kontrolle der emit­tierten Tera­hertz-Pulse geeignet sind. Weiter optimiert könnten mit dieser Methode Laser entwickelt werden, die besser als bisher für die Unter­suchung bio­lo­gischer Proben oder in Zukunft auch für den Aufbau opto­elektro­nischer Systeme geeignet sein könnten.

Jan Oliver Löfken

RK