27.11.2020

IR-Laser für starke, kurze Pulse

Quantenkaskadenlaser führt Frequenzen zu intensiven Pulsen zusammen.

Gewöhnliche Festkörper­laser, wie man sie von Laser-Pointern kennt, erzeugen Licht im sichtbaren Bereich. Für viele Anwendungen, etwa zum Detektieren von Molekülen, braucht man allerdings Strahlung im mittleren Infrarot­bereich. Solche Infrarot-Laser sind deutlich schwieriger herzustellen, besonders dann, wenn man die Laserstrahlung in Form von extrem kurzen, intensiven Pulsen benötigt. Lange wurde nach Methoden gesucht, solche Infrarot-Laserpulse zu produzieren – an der TU Wien ist das nun in Zusammenarbeit mit der Harvard University gelungen. Die Technik benötigt keine großen Versuchsaufbauten, sie ist gut minia­turisierbar und daher für praktische Anwendungen besonders interessant. 

Abb.: Diese Forscher­gruppe an der TU Wien entwickelte einen neu­artigen...
Abb.: Diese Forscher­gruppe an der TU Wien entwickelte einen neu­artigen IR-Laser für extrem kurze und intensive Pulse. (Bild: TU Wien)

„Wir erzeugen Laserlicht im mittleren Infrarotbereich mit maßge­schneiderten Quanten­kaskadenlasern, die im hochmodernen Nano-Center der TU Wien hergestellt werden“, sagt Johannes Hillbrand vom Institut für Festkörper­elektronik. Während bei gewöhnlichen Festkörperlasern die Art des ausgesendeten Lichts von den Atomen im Material abhängt, sind im Quanten­kaskadenlaser winzige Strukturen im Nanometer­bereich entscheidend. Durch passendes Design dieser Strukturen kann man die Wellenlänge des Lichts genau anpassen. „Unsere Quanten­kaskadenlaser liefern nicht nur eine einzige Lichtfarbe, sondern eine ganze Reihe verschiedener Frequenzen“, sagt Benedikt Schwarz, der die Forschungs­arbeit leitete. „Diese Frequenzen sind sehr regelmäßig angeordnet, mit immer gleichen Abständen dazwischen, wie die Zähne eines Kamms. Daher spricht man in diesem Fall von einem Frequenzkamm.“

Entscheidend ist aber nicht nur, welche Frequenzen ein solcher Quanten­kaskadenlaser abstrahlt, sondern auch mit welcher Phase die jeweiligen Lichtwellen schwingen. „Man kann sich das so ähnlich vorstellen, wie zwei Schaukeln, die man mit einem Gummiband verbindet“, erklärt Johannes Hillbrand. „Sie können entweder genau parallel hin und her schwingen, oder aber genau entgegen­gesetzt, sodass sie zueinander schwingen und dann wieder voneinander weg. Und diese beiden Schwingungs­moden haben geringfügig unter­schiedliche Frequenzen.“ Beim Laserlicht, das sich aus unter­schiedlichen Wellenlängen zusammensetzt, ist das ganz ähnlich: Die einzelnen Lichtwellen des Frequenz­kamms können genau parallel zueinander schwingen – dann überlagern sie sich auf optimale Weise und können kurze, intensive Laserpulse erzeugen. Oder sie schwingen jeweils entgegen­gesetzt, dann entsteht Laserlicht mit einer nahezu kontinuier­lichen Intensität.

„In Quantenkaskaden­lasern war es bisher nur schwer möglich, zwischen diesen beiden Varianten hin und her zu schalten“, sagt Hillbrand. „Wir haben allerdings in unseren Quanten­kaskadenlaser einen winzigen Modulator eingebaut, an dem die Lichtwellen immer wieder vorbeikommen.“ An diesen Modulator legt man eine elektrische Wechsel­spannung an. Je nach Frequenz und Stärke dieser Spannung kann man unter­schiedliche Licht­schwingungen im Laser anregen. „Wenn man diesen Modulator genau mit der richtigen Frequenz ansteuert, dann kann man erreichen, dass die unter­schiedlichen Frequenzen unseres Frequenzkamms alle genau im gleichen Takt schwingen“, sagt Benedikt Schwarz. „Dadurch wird es möglich, diese Frequenzen zu kurzen, inten­siven Laserpulsen zusammenzufügen – und zwar mehr als zwölf Milliarden mal pro Sekunde.“

Dieses Maß an Kontrolle über kurze Infrarot-Laserpulse war bisher mit Halbleiterlasern nicht möglich. Ähnliche Arten von Licht konnte man allenfalls mit sehr aufwendigen und verlustreichen Methoden erzeugen. „Unsere Techno­logie hat den entscheidenden Vorteil, dass sie miniaturisierbar ist“, sagt Schwarz. „Man könnte daraus kompakte Messgeräte bauen, die mit diesen speziellen Laserstrahlen beispiels­weise nach ganz bestimmten Molekülen in einer Gasprobe suchen.“ Durch die hohe Licht­intensität der Laserpulse sind auch Messungen möglich, für die man zwei Photonen gleichzeitig benötigt.

TU Wien / JOL

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