Laserstrahl aus der Mikroscheibe

Mikrodisk-Laser mit strukturierter Oberfläche erzeugt gebündelte Terahertz-Strahlung.

Für den Bereich des sichtbaren und des infraroten Lichtes hat man mit der Halbleiterlaserdiode eine kompakte und leistungsfähige Strahlungsquelle entwickelt, die die elektrische Energie direkt in Licht umwandelt. Doch für die langwelligere Terahertz-Strahlung, die z. B. in der Molekularbiologie oder bei Sicherheitskontrollen Anwendung findet, fehlt bislang noch eine ähnlich gute Strahlungsquelle. Sogenannte Quantenkaskadenlaser könnten hier Abhilfe schafften. Jetzt hat ein internationales Forscherteam einen Kaskadenlaser in Form eines 180 µm großen Scheibchens entwickelt, der durch seine strukturierte Oberfläche einen kontinuierlichen Terahertz-Laserstrahl abgibt.

In herkömmlichen Halbleiterlasern erzeugen Elektronen beim Übergang von der Leitungsbandkante zur Valenzbandkante des Halbleiters Strahlung. Die nötige Besetzungsinversion entsteht in der Kontaktfläche zwischen Bereichen mit hoher p- bzw. n-Dotierung. In einem Kaskadenlaser nutzt man hingegen elektronische Übergänge zwischen Minibändern, in die die Bänder einer periodisch aufgebauten Halbleiterheterostruktur aufspalten. Die Besetzungsinversion kommt dadurch zustande, dass sich das untere Niveau eines Übergangs sehr schnell in energetisch tiefer liegende Niveaus des Minibandes entleert.

Der scheibchenförmige Kaskadenlaser, den Lukas Mahler von der Scuola Normale Superiore in Pisa und seine Kollegen in Zürich und Oxford entwickelt haben, besteht aus einem Stapel von unterschiedlich dicken Schichten aus GaAs und AlGaAs, die sich abwechseln. Aufgrund der periodischen Schichtung treten Minibänder auf, zwischen denen elektronische Übergänge im Terahertz-Bereich stattfinden können. Legt man eine elektrische Spannung an die kreisförmigen metallischen Kontakte, die die Ober- und Unterseite des Mikrodisk-Lasers bilden, so durchlaufen die Elektronen die Heterostruktur wie eine Kaskade und erzeugen dabei Terahertz-Strahlung. Durch Anregung von langlebigen Strahlungsmoden kommt es zur induzierten Emission und schließlich zur Erzeugung von Laserstrahlung.

Strahlungsmoden, die sich nahe dem kreisförmigen Umfang des Minidisk-Lasers ausbilden, sind besonders langlebig. Ihr Licht breitet sich horizontal im Laser aus und trifft streifend auf die Grenzfläche, so dass es durch Totalreflexion im Innern des Lasers gehalten wird. Diese Moden entsprechen den akustischen Flüstergaleriemoden. Um das Laserlicht senkrecht nach oben auszukoppeln, haben die Forscher die metallische Beschichtung der Laseroberseite an mehreren Stellen entfernt. Es entstanden 16 gleichmäßig verteilte radiale Einschnitte, die ein Beugungsgitter bildeten, durch das das Laserlicht nach oben entweichen konnte. Allerdings enthielt das Licht zwei verschiedene Frequenzen und war nicht besonders gut gebündelt. Das lag daran, dass sich bei 16 Einschnitten zwei verschiedene Moden mit 8-zähliger Symmetrie ausbilden konnten, die miteinander konkurrierten, wie numerische Berechnungen zeigten.

Um ihren Laser auf eine Frequenz einzustimmen, entfernten die Forscher die Metallbeschichtung an 17 Stellen. Daraufhin bildete sich eine Mode mit 17-zähliger Symmetrie aus, sodass der Laser nur noch mit einer Frequenz von ca. 3,3 THz strahlte. Zudem war die nach oben entweichende Strahlung hervorragend gebündelt. Der Laser mit 17 Einschnitten hatte eine 30 Mal größere Effizienz als der mit 16 Einschnitten und eine 600 Mal größere Effizienz als ein Laser mit unstrukturierter Oberseite. Die erreichte Strahlungsleistung von 50 mW/A übertrifft schon jetzt die Leistung anderer Kaskadenlaser. Allerdings muss der neue Minidisk-Laser bisher noch auf Temperaturen unter 100 K gekühlt werden.

Eine intensive Strahlungsquelle im Terahertz-Bereich ließe sich dadurch herstellen, dass man viele dieser Minidisk-Laser nebeneinander auf einer Oberfläche anordnet. Mit solch einer Strahlungsquelle könnte man Moleküle über ihre Rotationsschwingungsspektren identifizieren. Dafür gibt es zahlreiche interessante Anwendungen z. B. in der Molekularbiologie oder beim Aufspüren von Sprengstoffen und anderen gefährlichen Substanzen.

RAINER SCHARF



Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  Lukas Mahler et al.: Vertically emitting microdisk lasers. Nature Photon. (30.11.2008)
  http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2008.248
  http://www.nature.com/doifinder/10.1038/nphoton.2008.248
• Gruppe von Jérôme Faist an der ETH Zürich:
  http://www.qoe.ethz.ch/
• Gruppe von David A. Ritchie in Cambridge:
  http://www.sp.phy.cam.ac.uk/SPWeb/index.php
• Gruppe von Anthony F. J. Levi an der University of Southern California:
  http://www.usc.edu/dept/engineering/eleceng/Adv_Network_Tech/Html/index.html
  

Weitere Literatur:

• Benjamin S. Williams: Terahertz quantum-cascade lasers. Nature Photon. 1, 517 (2007)
  http://www.nature.com/doifinder/10.1038/nphoton.2007.166
  http://www.mtinstruments.com/THz%20Quantum%20Cascade%20Lasers.pdf (frei!)
• L. Andrea Dunbar: Small optical volume terahertz emitting microdisk quantum cascade laser. Appl. Phys. Lett. 90, 141114 (2007)
  http://dx.doi.org/10.1063/1.2719674
  http://www.qoe.ethz.ch/papers/2007/07_APL_141114_AD.pdf (frei!)
• A. F. J. Levi: Microdisk Lasers. Solid State Electronics 37, 1297 (1994)
  http://www.usc.edu/dept/engineering/eleceng/Adv_Network_Tech/Html/publications/161.pdf (frei!)
  

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