Wien - Sehen kann man sie nicht, doch Anwendungsideen gibt es genug: Terahertz-Wellen durchdringen viele Materialien und eignen sich ausgezeichnet zum Aufspüren von zahlreichen Molekülen. Ob bildgebende Diagnostik im Medizinbereich, Analyse unbekannter Substanzen oder ultraschnelle drahtlose Datenübertragung – Terahertzquellen sind in vielen Anwendungsbereichen gefragter denn je. Erzeugen lässt sich Terahertz-Licht mit Hilfe von Quantenkaskadenlasern, die nur wenige Millimeter groß sind. Sie bestehen aus maßgeschneiderten Halbleiterschichten im Nanometerbereich. An der TU Wien gelang nun ein neuer Weltrekord: Durch die spezielle Verschmelzung von symmetrischen Laserstrukturen konnte eine viermal so hohe Lichtleistung erzielt werden wie bisher. Dies berichten die Forscher nun in zwei Publikationen in der Fachzeitschrift "Applied Physics Letters".

Elektronensprünge erzeugen Terahertz-Licht

In jeder Schicht des Quantenkaskadenlasers können die Elektronen nur ganz bestimmte Energieniveaus annehmen. Legt man exakt die richtige elektrische Spannung an, springen die Elektronen von Schicht zu Schicht und geben dabei jedes Mal Energie in Form von Licht ab. So lässt sich die Terahertzstrahlung mit einer Wellenlänge im Submillimeterbereich (zwischen Mikrowellen- und Infrarot) effizient erzeugen. "Quantenkaskadenlaser sind von der Effizienz, Kompaktheit und Leistungsfähigkeit her ungeschlagen, andere Quellen liegen im Kubikmeter-Bereich", erklärt Christoph Deutsch vom Institut für Photonik der TU Wien.

Viele Moleküle absorbieren Licht in diesem Wellenlängenbereich auf ganz charakteristische Weise, wodurch eine Art optischer Fingerabdruck entsteht. Dank dieser Eigenschaft kann Terahertz-Licht als chemischer Detektor eingesetzt werden. Auch für bildgebende Verfahren in der Medizin ist die Strahlung hochinteressant: Einerseits hat sie weniger Energie als Röntgenstrahlung, ist also nicht ionisierend und daher ungefährlich, andererseits hat sie aber eine geringere Wellenlänge als Mikrowellenstrahlung, wodurch eine bessere Auflösung erzielt wird. Neben einer kompakten Lichtquelle ist für Messungen an entfernten Objekten und für bildgebende Verfahren aber auch eine hohe optische Leistung erforderlich.

Verdoppelung der Halbleiterschichten

Eine Möglichkeit, die Laserleistung zu erhöhen, ist eine größere Anzahl von Halbleiterschichten zu verwenden. Je mehr Schichten der Laser hat, desto öfter wechselt das Elektron beim Durchgang den Energiezustand und desto mehr Photonen werden ausgesandt. Die Herstellung eines Lasers mit vielen Schichten ist allerdings schwierig, hier stößt man schnell an technologische Grenzen. Dem Team rund um Karl Unterrainer vom Institut für Photonik der TU Wien gelang es nun, zwei separate Quantenkaskadenlaser durch einen sogenannten Bonding-Prozess präzise übereinander zu stapeln und die Halbleiterschichten damit zu verdoppeln.

"Das klappt aber nur bei einem ganz speziellen Design der Quantenkaskaden-Struktur", erklärt Deutsch, "mit herkömmlichen Halbleiterlasern wäre das prinzipiell unmöglich." Man benötige dazu symmetrische Laser, durch welche Elektronen in beiden Richtungen gleichermaßen hindurchwandern können. Das Team musste daher zuerst herstellungsbedingte Asymmetrien der Laser erforschen und kompensieren.

Vierfache Leistung

Zusätzlich gelang es den Forschern, die Effizienz aufgrund verbesserter optischer Eigenschaften zu erhöhen, weshalb die Verdoppelung der Halbleiterschichten sogar eine Vervierfachung der Leistung mit sich bringt. Das Ergebnis ist ein neuer Weltrekord: Den bisher leistungsfähigsten Terahertz-Quantenkaskadenlaser mit knapp 250 Milliwatt hatte das Massachusetts Institute of Technoloy (MIT) entwickelt, der TU-Laser erreicht nun ein ganzes Watt. (red, derStandard.at, 02.11.2013)