Furchen verbessern Laserleistung
Ein THz-Quantenkaskadenlaser erreicht eine bessere Strahlqualität, wenn seine Oberfläche mit kleinen Furchen strukturiert wird.
Physik Journal – Ein THz-Quantenkaskadenlaser erreicht eine bessere Strahlqualität, wenn seine Oberfläche mit kleinen Furchen strukturiert wird.
Terahertzwellen durchdringen elektrisch isolierende Stoffe, ohne sie zu schädigen. Diese Eigenschaft macht sie für viele Anwendungen interessant. Weltweit arbeiten Forscher daher an entsprechenden Applikationen, die sich für Medizin, Personen- und Sprengstoffkontrolle oder zerstörungsfreie Materialprüfung einsetzen lassen. Für kompakte und mobile Systeme sind Halbleiterlaser als Strahlquelle wichtig, da sie eine hohe Integrationsdichte ermöglichen. Bei Quantenkaskadenlasern (QCL) besteht der aktive Bereich aus vielen identischen Stufen nanometerdicker Quantentöpfe. Die Elektronen werden immer wieder in die verschiedenen Stufen injiziert und emittieren Photonen, wenn sie auf tiefere Energieniveaus fallen. Bei den THz-QCL mit den bislang höchsten Betriebstemperaturen und den niedrigsten Schwellenströmen steckt der laseraktive Bereich zwischen zwei Metallschichten. Bei der Auskopplung der Strahlung über Öffnungen, die kleiner als die Wellenlänge sind, kommt es allerdings zu Leistungsverlusten und einer starken Strahldivergenz.
Bild: Die strukturierte Austrittsfläche des Quantenkaskadenlasers (a: rasterelektronenmikroskopische Aufnahme) verbessert das zweidimensionale Intensitätsprofil im Fernfeld (b: gemessen; c: gerechnet). (Bildquelle: Nature Materials)
Bislang versuchten Forscher diesem Problem vor allem durch Korrekturelemente im Strahlengang beizukommen oder durch Gitter höherer Ordnung oder photonische Kristalle, durch die sich die Austrittsfläche der Laserstrahlquelle optisch vergrößern lässt. Allerdings macht das den Aufbau sehr filigran und justageanfällig, oder die Schwellenstromdichte für die Laseraktivität steigt.
Wissenschaftler der amerikanischen Harvard University und der britischen University of Leeds haben nun einen Weg gefunden, mit dem sich diese Nachteile vermeiden lassen. Sie haben die Oberfläche eines QCL mit Furchen strukturiert, deren Abstände viel kleiner als die Wellenlänge der Strahlquelle (100 µm) sind. Der Laser emittiert bei einer unbehandelten Grenzfläche sowohl direkt ins Fernfeld als auch in Oberflächenplasmonen. Der Wellenvektor der Laserstrahlung im Wellenleiter des QCL unterscheidet sich dabei stark von den Wellenvektoren des Fernfelds und der Oberflächenwellen. Durch die Strukturierung fällt der Übergang jedoch nicht mehr so drastisch aus, sodass die Struktur dank der veränderten Dispersion wie ein Kollimator wirkt: Die abgegebene Leistung des QCL steigt (ums Sechsfache) und die Strahldivergenz sinkt von 180° auf 10°.
Michael Vogel
Quelle: Physik Journal, August/September 2010, S. 18
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