16.12.2010

Terahertzlaser bei höheren Temperaturen

Neue Schichtstruktur ermöglicht die Erzeugung von 1,8 THz-Strahlung auch bei höheren Temperaturen.

Neue Schichtstruktur ermöglicht die Erzeugung von 1,8 THz-Strahlung auch bei höheren Temperaturen.

Zwar gibt es für Terahertzstrahlen eine Reihe von Anwendungen, nicht zuletzt zur Erkennung von Sprengstoffen. Doch hat hat sich herausgestellt, dass sie schwer auf kostengünstige Weise zu erzeugen sind. Festkörperlaser waren bisher nur zur Aussendung von THz-Stralung zu bewegen, wenn man sie stark kühlte – ein Aspekt der nicht für die Massenanwendung spricht. Wissenschaftler fingen sogar an darüber zu spekulieren, ob THz-Festkörtperlaser bei Raumtemperatur physikalisch überhaupt möglich seien: die Laborgeräte zeigten einen linearen Zusammenhang zwischen der Temperatur und der emittierten Frequenz. Dies gab Anlass zu der Vermutung, dass es ein, dieser Proportionalität zu Grunde liegendes, physikalisches Gestetz gäbe.

Nun konnten Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und des Sandia National Laboratories einen Festkörperlaser vorstellen, der bei einer Temperatur von 160 K Terahertzstrahlen aussendet, und damit die Vermutung widerlegt (diese hätte etwa die halbe Temperatur als Obergrenze gesetzt).

Abb.: Energiediagramm des Schichtansatzes für den THz-Laser. Elektronen starten bei i1 und i2 und geben über Streuung ihre Energie ab. Von u nach l erfolgt dann der Übergang, bei dem THz-Strahlung ausgesendet wird. (Bild: S. Kumar et al., Nature Physics)

Das Problem der THz-Emission bei höheren Temperaturen rührt von den eng beieinander liegenden Energieniveaus der Elektronen her. Für kleine Frequenzen rücken diese so dicht zusammen, dass sie nur schwer exakt adressierbar sind, was sich mit sinkender Temperatur verbessert. Das ist auch der Hintergrund für die oben erwähnte Vermutung: Die thermische Energie der Elektronen E=kBT soll nicht viel größer sein als die Energie der zu erzeugenden Photonen E=hω/2π, weshalb für niedrige Frequenzen auch niedrige Temperaturen nötig sind.

Hier setzten die Forscher an und sorgten dafür, dass die Elektronen in hohen angeregten Zuständen ihre Energie zuerst bei Streuprozessen abgaben. Von niedriger gelegenen Energieniveaus konnte die Energie der Elektronen dann zur Erzeugung von THz-Strahlung genutzt werden. Aufgebaut aus gängigen Materialien – Galliumarsenid und Aluminiumgalliumarsenid – bestimmt die gewählte Schichtstruktur des Lasermediums, wo und auf welche Art und Weise die Elektronen ihre Energie abgeben.

Dieser neue Ansatz stellt einen vielversprechenden Schritt in Richtung THz bei Raumtemperatur dar. Aus Sicht der beteiligten Forscher bleibt allerdings noch einiges zu tun, um dieses Ziel zu erreichen.

MIT / KK

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