Fein einstellbare Terahertzstrahlung

Erst seit einigen Jahren hat sich Terahertz­strahlung in verschiedenen Bereichen durch­gesetzt. Trotz viel­versprechender Einsatz­möglichkeiten gibt es bei der Terahertz­strahlung aber immer noch das Problem, dass ihre Erzeugung aufwändig ist und häufig große und nicht allzu effiziente Geräte dafür benötigt werden. Oft lässt sich Terahertz­strahlung auch nur sehr begrenzt in der Frequenz variieren oder die Terahertz­quellen arbeiten nur bei tiefen Temperaturen. Abhilfe könnte die Idee eines Forscher­teams um Federico Capasso von der Harvard University in den USA bringen: Die Wissenschaftler haben ein neues Konzept für einen Terahertz­laser vorgestellt, der auf Molekül­gasen basiert und über einen großen Bereich durch­stimmbar ist.

Bislang funktionieren Terahertzlaser, die mit molekularen Gasen arbeiten, vor allem mit optischer Pump­strahlung, die die verschiedenen energe­tischen Zustände der Moleküle anregen und zur Aussendung von Laser­strahlung bringen. Solche optisch gepumpten Laser können aber nur bei bestimmten Frequenzen arbeiten und haben zudem den Nachteil, dass die Pumplaser – etwa Kohlen­dioxid­laser – recht sperrig sein können und sich nur schlecht in kleine, praktische Aufbauten integrieren lassen.

Das neue Konzept der Wissenschaftler­teams beruht deshalb auf einer anderen Quelle für die Pump­strahlung: einem Quanten­kaskaden­laser. Bei diesem Lasertyp entsteht das Laserlicht nicht wie bei anderen Halb­leiter­lasern durch den Übergang der Elektronen vom Leitungs- in das Valenzband, sondern durch Intersubband-Übergänge im Leitungsband. Solche Quanten­kaskaden­laser beruhen auf Halb­leiter-Hetero­strukturen. Sie lassen sich über einen weiten Bereich durch­stimmen, indem man etwa Temperatur oder Anregungs­strom entsprechend einstellt, und haben typischer­weise Frequenzen im hohen Terahertz­bereich von bis zu einigen Dutzend Terahertz.

Um Laserstrahlung im Terahertz­bereich mit geringerer Frequenz herzustellen, bieten sich die Rotations­übergänge von Molekülen an. Für die Experimente nutzten die Forscher Distick­stoff­oxid, wobei aber beliebige andere molekulare Gase denkbar sind: Von zwei­atomigen Gasen wie Kohlen­monoxid bis hin zu fünf- oder sechs­atomigen Gasen wie etwa Fluormethan sollten sich nach den Berechnungen der Wissen­schaftler gute Ergebnisse erzielen lassen. Das Gas schlossen die Forscher in einem Hohlraum mit Kupfer­spiegeln ein, wobei der notwendige Druck zum Erreichen der Laser­bedingungen lediglich 1,3 bis 13 Pascal betrug. Dieser Hohlraum war etwa 15 Zentimeter lang und fünf Milli­meter breit. Durch ein kleines Fenster von einem Milli­meter Durchmesser koppelten die Wissen­schaftler dann die Strahlung des Quanten­kaskaden­lasers ein, der im mittleren Infrarot strahlte und eine Leistung von 0,25 Watt aufwies. Durch dieses Loch trat dann auch der fern­infra­rote Terahertz-Laserstrahl aus.

Der hintere Kupferspiegel im Hohlraum war verschiebbar, so dass sich der Hohlraum mit der gewünschten Emissions­frequenz in Resonanz bringen ließ, während die Forscher die Wellenlänge der Pump­strahlung durch­stimmten. Auf diese Weise konnte auch die zu erzeugende Terahertz­strahlung einen großen Frequenz­bereich abdecken. Ab einer einge­koppelten Pump­leistung von siebzig Milliwatt begann das Gas, Terahertz-Laser­strahlung auszu­senden, wobei diese Leistung bis zu 0,04 Milliwatt erreichte. „Wir konnten dabei Laser­strahlung mit Frequenzen von 0,251 bis 0,955 Terahertz erzeugen, was einen wichtigen Teil des Tera­hertz­spektrums umfasst“, sagt Capasso, der bereits an der Entwicklung des Quanten­kaskaden­lasers beteiligt war.

Solche Terahertzlaser kommen für eine Vielzahl von Anwendungen in Betracht. Abgesehen vom Einsatz als Scanner an Flughäfen und ähnlichen Einrichtungen können sie auch zur Erkennung von Haut- oder Brustkrebs dienen. Auch bei kurzen optischen Verbindungen mit sehr hoher Bandbreite sind Terahertz­laser vielver­sprechend. Und nicht zuletzt können sie auch in der Astrophysik helfen, extrem schwache Signale – etwa von inter­stellarer Materie – aufzuspüren. Hier dient ein solcher Laser als lokaler Oszillator im Rahmen der heterodynen Detektion. Mit Hilfe einer durch­stimmbaren Referenz­welle lassen sich dabei die Frequenz und die Stärke des ursprünglichen Signals ermitteln. Ein Quanten­kaskaden­laser-gepumpter Terahertz-Gaslaser eröffnet hier neue Möglichkeiten.

Dazu müssten aber erst noch die Leistung und die Richtungs­treue des ausge­koppelten Laser­strahls verbessert werden. Auch sollten sich höhere Frequenzen von über einem Terahertz mit einem solchen System erzielen lassen. Nach den Berechnungen der Forscher sollten mit derartigen Systemen Laser­leistungen von mehr als einem Milliwatt auch bei Frequenzen von über einem Terahertz möglich sein.

Dirk Eidemüller

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  P. Chevalier et al.: Widely tunable compact terahertz gas lasers, Science 355, 856 (2019); DOI: 10.1126/science.aay8683
• Capasso Group, Harvard School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University, Cambridge, USA

Weitere Beiträge:

• A. Pagies et al.: Low-threshold terahertz molecular laser optically pumped by a quantum cascade laser, APL Photonics 1, 031302 (2016); DOI: 10.1063/1.4945355
• R. Köhler et al.: Terahertz semiconductor-heterostructure laser, Nature 417, 156 (2002); DOI: 10.1038/417156a
• Flache Metalinsen fokussieren sichtbares Licht, ProPhysik, 2.6.2016
• Gleiches Recht für alle Wellenlängen, ProPhysik, 2.2.2015

RK