Die einzigartigen Eigenschaften von Terahertzstrahlung macht sie sehr interessant für zahlreiche Anwendungen wie nicht-invasive Bildgebung in der Medizin oder Detektion von gefährlichen Stoffen. Terahertzwellen durchdringen viele Materialien, die für sichtbares Licht undurchsichtig sind. Im Vergleich zu Röntgenstrahlung sind sie auch ungefährlich für biologisches Gewebe. Außerdem besitzen viele Substanzen einen molekularen Fingerabdruck im Terahertzbereich, weshalb sie sich mittels spektroskopischer Verfahren aufspüren lassen. Eine effiziente Möglichkeit, Terahertzwellen zu erzeugen, sind Quantenkaskadenlaser, welche in der Arbeitsgruppe von Karl Unterrainer am Institut für Photonik der TU Wien hergestellt und erforscht werden.
Abb.: Darstellung eines breitbandigen Terahertzverstärkers, basierend auf einem Quantenkaskadenlaser (Bild: TU Wien)
Quantenkaskadenlaser bestehen aus einer genau definierten Abfolge von mehreren hundert, nur wenige Nanometer dicken Halbleiterschichten. Dieser besondere Aufbau ermöglicht es, die Energieniveaus, in denen sich die Elektronen in der Halbleiterstruktur aufhalten, frei zu wählen. Somit lässt sich die Frequenz des ausgestrahlten Laserlichts anpassen und auf die gewünschte Anwendung zuschneiden.
Diese Besonderheit, dass man die Laserwellenlänge selbst bestimmen kann, erlaubt es mehrere Quantenkaskadenstrukturen mit unterschiedlichen Emissionsfrequenzen aufeinanderzustapeln, mit dem Ziel breitbandiger Terahertzstrahlung. „Solche heterogene Aktive Zonen sind optimal geeignet, um breitbandige Terahertzverstärker zu realisieren und um ultrakurze Terahertzpulse zu erzeugen“, erklärt Dominic Bachmann vom Institut für Photonik. Gelingt es zusätzlich, die diskreten Laserlinien miteinander zu koppeln, das heißt eine feste Phasenbeziehung zwischen den Lasermoden herzustellen, entsteht ein Frequenzkamm. Mit einem Frequenzkamm kann die Absolutfrequenz des verwendeten Lichts sehr genau gemessen werden – essentiell für unzählige Anwendungen. Die Erfindung des Frequenzkamms hat die optische Metrologie geradezu revolutioniert und wurde 2005 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
In den letzten vier Jahren wurde im EU-Projekt TERACOMB intensiv an einem auf Quantenkaskadenlaser basierenden Terahertz-Frequenzkamm geforscht. Unter der Leitung von Juraj Darmo vom Institut für Photonik gelang es dem Team aus internationalen Forschungsgruppen, den ersten breitbandigen halbleiterbasierten Terahertz-Frequenzkamm zu realisieren.
Eine in der Gruppe von Karl Unterrainer entwickelte Methode erlaubt es, interne Parameter von Quantenkaskadenlasern während des Laserbetriebs zu untersuchen. Die Technik beruht auf der zeitaufgelösten Spektroskopie, in der breitbandige Terahertzpulse die zu messende Probe durchdringen. Diese auf Femtosekunden-Laser basierte Technik ermöglicht es, den vollständigen Informationsgehalt des Zeit- und Frequenz-Bereichs in einer einzigen Messung zu erfassen. Dadurch gelang es den Forschern des Instituts für Photonik, den optischen Gewinnkoeffizienten und die optische Dispersion in breitbandigen Terahertz-Quantenkaskadenlasern quantitativ zu bestimmen, sowie die komplexen Dynamiken besser zu verstehen. „Diese Erkenntnisse erlauben es, die Bandbreite der Laser weiter zu erhöhen und die Leistungsfähigkeit der Frequenzkämme zu verbessern“, erläutert Juraj Darmo.
Ein bisher ungelöstes Problem bei Terahertz-Quantenkaskadenlasern war die Existenz von Laserlinien mit unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten. Das Vorhandensein von Lasermoden mit höherer lateraler Ordnung führt dazu, dass die Intensität sehr inhomogen zwischen den Laserlinien verteilt wird, reduziert die nutzbare Bandbreite und verhindert die Entstehung eines Frequenzkamms. Um zu verhindern, dass diese Moden anschwingen können, müssen die Verluste so stark erhöht werden, dass sie die Laserschwelle nicht erreichen. Durch das Hinzufügen eines maßgeschneiderten Seitenabsorbers an den Kanten des Laserresonators gelang es den Forschern, die höheren lateralen Moden vollständig zu unterdrücken, ohne die fundamentalen Moden relevant zu beeinflussen. Dies führte zu einer Emissionsbandbreite, die sich über eine volle Oktave erstreckt, zu einer sehr homogenen Modenverteilung in den zentralen 700 Gigahertz und einem Frequenzkamm mit einer Bandbreite von 440 Gigahertz.
Außerdem ermöglichen die Seitenabsorber die Erzeugung von ultrakurzen Terahertzpulsen mit Pulsbreiten von weniger als drei Pikosekunden. Dies entspricht einem neuen Weltrekord von Quantenkaskadenlaser generierten Terahertz-Pulsen. „Es war wirklich erstaunlich zu sehen, wie eine relativ kleine Anpassung des Wellenleiters eine derart immense Verbesserung bewirkt, erzählt Dominic Bachmann, der gerade seine Dissertation über breitbandige Quantenkaskadenlaser abgeschlossen hat.
TU Wien / DE
