Neuartige Lichtzustände: gleichzeitig thermisch und kohärent

Nach einem Paradigma der Quantenoptik ist spektral breitbandiges inkohärentes Licht immer mit „photon bunching“, also mit einer erhöhten Intensitätskorrelation von zwei verknüpft. Die Intensität monochromatischer Laserstrahlung ist mit einem Wert von eins dagegen unkorreliert. Forschern der TU Darmstadt um Wolfgang Elsäßer ist es nun gelungen, neuartige Hybrid-Lichtzustände zu erzeugen und so dieses fundamentale Paradigma zu widerlegen: An von Quantenpunkt-Superlumineszenzdioden (QP-SLDs) emittiertem Licht beobachteten sie eine Reduktion der zentralen Intensitätskorrelation von 2 auf einen Wert von 1,3, also in Richtung der Intensitätskorrelation von 1,0, wie sie ein Laser aufweist. „Diese neuartigen Hybrid-Lichtzustände, sind einerseits spektral breitbandig, weisen aber reduzierte Intensitätskorrelationen auf und sind damit gleichzeitig thermisch und kohärent. Diese faszinierenden Lichtzustände entstehen am Übergang zwischen spontaner und stimulierter Emission, im Bereich verstärkter spontaner Emission (Amplified Spontaneous Emission ASE) die beispielsweise optoelektronische halbleiterbasierte QP-SLDs abgeben. „Hybrid kohärentes Licht ist nicht nur unter dem Aspekt der Grundlagenforschung hochinteressant, sondern erlaubt es ganz gezielt die Intensitätsfluktuationen von Licht für eine Fülle von Anwendungen maßzuschneidern“, erläutert Elsäßer.

Seit den Anfängen der Quantenoptik sind die Fragen der Kohärenz und der statistischen Eigenschaften von Licht untrennbar miteinander verbunden. Dabei spielt der zugrundeliegende Emissionsprozess der Lichterzeugung und damit die Beschaffenheit der Lichtquelle eine entscheidende Rolle, wie theoretische und experimentelle Untersuchungen zeigen. Eine Möglichkeit, die statistischen Eigenschaften von Licht zu charakterisieren stellen Korrelationsfunktionen dar, die sich einmal in räumliche und zeitliche bzw. raum-zeitliche Korrelationen aufspalten lassen, wobei zeitliche Korrelationen erster Ordnung Korrelationen des optischen Feldes und Korrelationen zweiter Ordnung Korrelationen der Intensität beschreiben. Beide lassen sich im Prinzip mit einem Michelson-Interferometer-Aufbau als Funktion der Verzögerungszeit messen. Feldkorrelationen sind hierbei mit dem optischen Spektrum und Intensitätskorrelationen mit den Fluktuationen der Lichtintensität verknüpft, wobei letztere die statistischen Eigenschaften des Photonenstroms beschreiben. Intensitätskorrelationen sagen aus, wie ein emittiertes Photon zeitlich mit dem Nachfolgenden korreliert ist und spiegeln damit ebenso wie die Statistik die physikalische Natur ihres Emissionsprozesses wider.

Die Untersuchung von Intensitätskorrelationen wurden schon im Rahmen des berühmten Hanbury-Brown-Twiss-Experiments (HBT) durchgeführt, wo in einem Michelson-Interferometer-Aufbau die Photonenkorrelationen zwischen den Intensitäten in den beiden Interferometerarmen bestimmt wurden. Dabei zeigte sich, dass die Kohärenzeigenschaften zweiter Ordnung von Lasern und thermischen Quellen unterschiedlich sind, selbst wenn die Kohärenzeigenschaften erster Ordnung, also das Spektrum gleich sind. Im Detail bedeutet dies, dass der Laser eine zentrale (also bei Verzögerung τ = 0) Korrelationsfunktion zweiter Ordnung von g⁽²⁾(τ = 0) gleich 1 besitzt, das heißt, die Emission erfolgt in Form eines vergleichsweise regulären, geordneten Photonenstroms, wohingegen thermische oder inkohärente Strahlung „Photon Bunching“, also die Emission von „Photonenklumpen“ aufweist. Sie besitzt deshalb ein g⁽²⁾(τ = 0) gleich 2, was zu Beginn als kontraintuitiv betrachtet und daher recht kontrovers diskutiert wurde. Daraus entwickelte sich letztlich das Paradigma, dass nämlich die spektral breitbandige, inkohärente Emission einer thermischen Quelle immer mit einer erhöhten zentralen Intensitätskorrelation von verbunden ist, während der Laser eine solche von eins aufweist.

Martin Blazek untersuchte im Rahmen seiner Doktorarbeit die photonenstatistischen Eigenschaften von auf InAs/InGaAs-Quantenpunkten basierten Superlumineszenzdioden (SLDs). Sie stammen von der Universität Sheffield und den III-V Labs in Palaiseau und sollen als Breitbandlichtquellen dienen, etwa in biophotonischen Anwendungen wie der Optischen Kohärenz-Tomographie. Diese elektrisch gepumpten SLDs emittieren spektral breitbandiges Licht mit einer zentralen Wellenwellenlänge von rund 1200 Nanometern, das durch verstärkt spontane Emission entlang der verkippten Rippenwellenleiter-Struktur von typischerweise sechs Millimetern Länge entsteht. Das Emissionsspektrum spiegelt darüber hinaus die Besonderheiten der Halbleiter-Quantenpunkte wider, wie die Emission aus einem Grundzustand und einem angeregten Zustand heraus, dessen Ursprung in der Physik des quantisierten und stark inhomogen verbreiterten Energieschemas der Quantenpunkte liegt. All diese Eigenschaften lassen sich sowohl über die Herstellung wie auch mittels externer Parameter kontrollieren.

Zur Untersuchung der Photonenkorrelationen verwendete Martin Blazek nun eine moderne Version des HBT-Experimentes bestehend aus einem Michelson-Interferometer, in dem allerdings ein Zwei-Photonen-Absorptionsprozess in einem Photomultiplier zur Messung der Intensitätskorrelationen ausgenutzt wird, wie kürzlich Boitier et. al vorschlugen. Dies gewährleistet die notwendige extrem hohe zeitliche Auflösung im Femtosekundenbereich für Untersuchungen der Kohärenz zweiter Art.

Um hybrid-kohärentes Licht zu erzeugen, wurden die SLDs in einem Kryostaten mit variabler Temperatur betrieben. Beginnend mit Raumtemperatur äußerte sich die inkohärente Emission der SLDs in einem zentralen Korrelationskoeffizienten zweiter Ordnung von 2. Bei Erniedrigung der Temperatur zeigte sich jedoch bei einer spezifischen Temperatur eine Erniedrigung auf einen Wert von 1,3. Zur Erklärung bediente sich Blazek eines Modells, das die optischen Verluste in Quantenpunktlasern beschreibt, vereinigte also die beiden faszinierenden Welten, der Quantenpunkte und der Quantenoptik: Eine Erniedrigung der Temperatur reduziert die „Kommunikation“ oder Wechselwirkung der Ladungsträger in den individuellen Quantenpunkten, die über die sie umgebende Halbleiterschicht erfolgt aufgrund einer Einschnürung der Fermi-Verteilungsfunktion im Energieraum mit der Konsequenz, das nun die Ladungsträger in die niedrigst-liegenden Zustände des Quantenpunkt-Ensembles kondensieren.

Die hieraus resultierende erhöhte optische Verstärkung hat ihren Ursprung zwar immer noch im verstärkten spontanen Emissionsprozess, nun jedoch mit einer höheren Beimischung stimulierter Anteile, sodass sich die Photonenstatistik in Richtung eines Lasers entwickelt, also weniger „gebuncht“ ist, gleichzeitig aber immer noch ihre spektrale Breitbandigkeit beibehält. Das erzeugte Licht ist daher nun inkohärent in erster Ordnung und laserähnlich in zweiter Ordnung. Darüber hinaus erlaubt dieser neue Hybrid-Lichtzustand, der gleichermaßen thermisch und kohärent ist, weitere Einblicke sowohl in die Manipulation von quantenoptischen Eigenschaften als auch in die elektronischen Nichtgleichgewichtseigenschaften von Quantenpunktemittern.

Darüber hinaus stellt Blazek auch einen neuen theoretisch-empirischen Zusammenhang zwischen den Kohärenzeigenschaften erster und zweiter Art, also zwischen Intensitätsrauschen und Spektrum für diese neuartigen hybriden Lichtzustände auf, in Analogie zu der Siegert-Relation für thermisches Licht. Dieses neuformulierte, verallgemeinerte Intensitätsrauschmodell, das neben den beiden Spezialfällen der thermischen Emission und kohärenten Emission nun auch die hybrid-kohärente Emission beschreibt, erlaubt es maßgeschneidertes Intensitätsrauschen für die vielfältigen Anwendungsbereiche von SLDs quasi einzustellen, was sich unmittelbar in verbesserten Eigenschaften von optischen Messsystemen, wie etwa der Optischen Kohärenz-Tomographie widerspiegelt.

M. Blazek & W. Elsäßer

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