Laser mit umschaltbarer Polarisation

Die Kontrolle über die Polarisationsrichtung eines Laser­strahls ist Voraus­setzung für eine Viel­zahl von Experi­menten und Anwen­dungen. Üblicher­weise kommen dafür externe Bau­teile wie Polari­sations­filter oder Verzö­gerungs­platten zum Einsatz. Neben teils beträcht­lichen Leistungs­ver­lusten haben diese Methoden noch einen weiteren Nach­teil: Das Um­schalten der Polari­sations­richtung basiert auf mecha­nischen Dreh­bewe­gungen. Das macht sie sowohl langsam als auch sperrig. Während es im sich­tbaren Bereich bereits Möglich­keiten für ein schnelles Umschalten gibt, hinken Laser für Tera­hertz­strahlung dieser Entwick­lung noch nach. Indem sie eine elek­trisch schalt­bare Meta­ober­fläche als Reso­nator­spiegel ein­setzten, konnte eine Forscher­gruppe der Univer­sity of Cali­fornia in Los Angeles um Benjamin Williams hier jetzt für Abhilfe sorgen.

Die Funktion der neuen Metaoberfläche geht dabei über eine selektive Reflexion hinaus. Viel­mehr stellt sie selbst das aktive Medium dar – bildet also einen Spiegel, der auf­tref­fende Strahlung nicht nur reflek­tiert, sondern auch verstärkt. Einen Vor­läufer des nun vorge­stellten Lasers haben Williams und seine Kollegen bereits 2015 präsen­tiert. Diese etwas ein­fachere Version mit einer fix vorge­geben Polari­sations­richtung bestand aus der aktiven Meta­ober­fläche und einem dazu paral­lelen, semi­trans­pa­renten Aus­koppel­spiegel. Im Grunde handelte es sich also um einen klassi­schen Laser­reso­nator – mit dem Unter­schied, dass zwischen den Spiegeln kein aktives Material nötig war, da einer der Spiegel selbst für die Verstär­kung sorgte.

Dazu dienten in die Oberfläche integrierte Quanten­kaskaden­laser, kurz QCLs. Sie hatten die Form von 10 Mikro­meter dicken und 13 Mikro­meter breiten Balken, die in Abständen von etwa 90 Mikro­metern parallel über die Ober­fläche verliefen. So bildeten sie gemein­sam eine Anord­nung von Antennen: Normal auf die Ober­fläche tref­fende Strahlung koppelte ein und wurde verstärkt wieder zurück­ge­worfen.

Die einzelnen QCLs bestanden aus abwechselnden dünnen Schichten aus Gallium­arsenid und Aluminium-Gallium­arsenid, die die nötige Band­struktur aus aufein­ander­folgenden Quanten­töpfen lieferte. Sie befanden sich auf einer durch­gehenden Kupfer­schicht auf einem Gallium­arsenid­substrat, die den unteren elek­trischen Kontakt bildete. Auf der Ober­seite jedes Balkens bildete eine weitere Metall­schicht den zweiten Kontakt. Durch Anlegen einer Spannung wurden Elek­tronen also normal zur Ober­fläche durch die aktiven Schichten getrieben und gaben über stimu­lierte Emission Strahlung im Tera­hertz­bereich ab. Die oberen Kontakte liefen außer­halb des aktiven Bereichs mit einer Fläche von 1,5 mal 1,5 Quadrat­milli­meter zu einem gemein­samen Kontakt zusammen und wurden alle mit derselben Spannung versorgt.

In der nun vorgestellten neuen Version des Lasers sind sowohl Form als auch Anord­nung der QCLs deut­lich komplexer gewählt. „Die Kontrolle über die Polari­sations­richtung ist direkt in den Laser selbst einge­baut“, erklärt Williams. „Das erlaubt einen kompakten Aufbau und ermög­licht ein schnelles, elek­tro­nisch gesteu­ertes Umschalten zwischen verschie­denen Polari­sations­richtungen.“ Wie der Forscher betont, kommt es auch zu keinen weiteren Ver­lusten, da das System von vorn­herein nur Strahlung mit der gewünsch­ten Polari­sation erzeugt.

Anstelle von geraden, parallelen Balken verlaufen die QCLs in der neuen Version in Zick­zack-Linien über die Ober­fläche. Und sie sind auch nicht mehr alle gemein­sam kontak­tiert, sondern in zwei inein­ander verschach­telte Gruppen unter­teilt, die unab­hängig vonein­ander ange­steuert werden können. Jede Zick­zack-Linie besteht aus aufein­ander­folgenden, gleich langen aber unter­schied­lich dicken Teil­stücken. In der ersten Gruppe verlaufen alle dicken Teile in eine bestimmte Richtung während die dünnen senk­recht dazu verlaufen – in der zweiten Gruppe verhält es sich genau umge­kehrt. Jede Gruppe verstärkt nur Strahlung mit einer bestimmten Polari­sations­richtung. Durch einfaches Um­schalten der Versor­gungs­spannung von einer Gruppe zur anderen ändert sich die Polari­sation der erzeug­ten Strahlung.

Der neue Laser erzeugt Strahlung mit einer Frequenz von etwa 3,4 Tera­hertz und einer maxi­malen Aus­gangs­leistung von 93 Milli­watt bei einer Betriebs­tempe­ratur von 77 Kelvin. Die Strahl­diver­genz beträgt etwa drei Grad. Wie Williams und seine Kollegen betonen, ging es ihnen bei ihrer Studie aber weniger darum, einen bestimmten Laser zu ent­wickeln. Viel­mehr wollten sie ein Konzept vor­stellen, von dem sie glauben, dass es sich auch über den Tera­hertz-Bereich hinaus und vor allem auch bei kürzeren Wellen­längen an­wenden lässt.

Aufgrund der Eigenschaft von Terahertzstrahlung, eine Viel­zahl verschie­dener Materi­alien zerstö­rungs­frei zu durch­dringen, sehen die Forscher aller­dings durch­aus auch mög­liche Anwen­dungen speziell für ihr System. „Zum Beispiel könnte unsere Laser bild­ge­bende Ver­fahren ver­feinern“, meint Williams. Ein zusätz­licher Kontrast durch Polari­sation könne etwa helfen, ver­steckte Defekte oder Struk­turen zu detek­tieren.

Thomas Brandstetter

RK