Laser mit Löchern

Terahertzwellen sind zwar schwer herzustellen, aber äußerst nützlich. Man kann sie zum Beispiel für chemische Sensoren verwenden, die ganz bestimmte Stoffe detektieren. Dafür müssen sie allerdings zwei wichtige Anforderungen erfüllen: Erstens muss der Terahertz-Licht­strahl eng gebündelt sein, damit man ihn gezielt an den gewünschten Ort lenken kann, und zweitens darf er nicht wie gewöhnliches Laser­licht bloß eine einzelne Wellen­länge aufweisen, sondern sollte aus vielen verschiedenen Wellen­längen zusammen­gesetzt sein. Beides gleichzeitig zu erreichen war bisher kaum möglich. An der TU Wien gelang es nun mit einem ungewöhnlichen Trick erstmals, einen gebündelten Terahertz-Laser mit Breitband-Spektrum herzustellen: Durch zufällig angeordnete Löcher im aktiven Laser­medium.

„Wir beschäftigen uns mit zwei unterschiedlichen Arten von Lasern, die auf den ersten Blick wenig miteinander zu tun haben“, sagt Sebastian Schönhuber vom Institut für Photonik der TU Wien. „Einerseits forschen wir an Quanten­kaskaden­lasern, die aus genau aufeinander abgestimmten dünnen Halbleiter­schichten bestehen, andererseits haben wir uns in unserem aktuellen Projekt auch mit Zufalls­lasern beschäftigt.“

Quantenkaskadenlaser werden an der TU Wien bereits seit Jahren entwickelt. Sie bestehen aus einem ausgeklügelten Halbleiter-Schichtsystem. Schon bei der Konstruktion des Lasers kann man dadurch genau festlegen, welche Wellenlängen das abgestrahlte Licht haben soll. Allerdings senden Quanten­kaskaden­laser ihr Licht nicht in eine bestimmte Richtung, sondern sie strahlen für gewöhnlich einen breiten Lichtkegel ab. Dieses Licht danach wieder auf einen engen Strahl zu fokussieren ist kaum möglich.

Ein ähnliches Problem hat man bei den sogenannten Zufalls­lasern – einem völlig anderen und recht neuen Konzept der Lasertechnik. „Zufallslaser bestehen typischerweise aus Pulvern oder Flüssig­keiten, die das Licht erzeugen und es dann gleichzeitig in ihrem Inneren immer wieder zufällig streuen“, erklärt Stefan Rotter vom Institut für Theoretische Physik. So bewegen sich die Lichtwellen auf ungeordnete, schwer vorhersehbare Weise durch den Laser. Das kann dazu führen, dass viele unterschiedliche Wellenlängen gleich­zeitig abgestrahlt werden – allerdings in alle Richtungen gleichzeitig, ähnlich wie bei einer Glühbirne.

In einem Forschungsprojekt, in dem die beiden TU-Forschungs­gruppen aus der Elektro­technik und aus der Physik zusammen­arbeiteten, ist nun beides miteinander verknüpft: An zufällig ausgewählten Positionen haben die Forscher Löcher in einen Quanten­kaskaden­laser gebohrt, somit wurde er zum Zufallslaser. Der zunächst überraschende Nebeneffekt dieses neuen Konzepts: Der durch­löcherte Laser sendet seine Strahlung direkt nach oben, in Form eines sehr eng gebündelten Strahls.

„Diesen Effekt im Detail zu erklären, war zunächst gar nicht einfach“, sagt Martin Brand­stetter vom Institut für Photonik. „Es liegt an der Art, wie sich die einzelnen Wellen­längen zu einem Strahl addieren. Einzelne Frequenz­anteile können in verschiedene Richtungen ausgesandt werden, aber insgesamt ist der Strahl eng fokussiert. Er zeigt genau in die Richtung, in der man die Löcher in den Quanten­kaskaden­laser gebohrt hat.“

Damit steht nun erstmals ein Laser zur Verfügung, der einerseits breit­bandige Tera­hertz­strahlung aus vielen unterschiedlichen Wellen­längen absendet und andererseits seine Strahlung in eine genau definierte Richtung abgibt – ein wichtiger Schritt für die Anwendung von Zufalls­lasern in der Praxis. Nun möchte man an der TU Wien noch einen Schritt weitergehen: „Wir wollen eine noch größere spektrale Band­breite erreichen. Dadurch sollen neue Anwendungen in der Spektro­skopie und bei bildgebenden Verfahren in diesem hoch­interessanten aber technisch herausfordernden Bereich der Tera­hertz­strahlung möglich werden“, ist Sebastian Schönhuber zuversichtlich.

TU Wien / DE