Wiener Physiker bauen einen Zufallslaser für Terahertzstrahlung

29. September 2016, 10:37
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Zufällige Löcher in herkömmlichem Halbleiterlaser ermöglichen gebündelten Strahl mit großer Bandbreite

Wien – Terahertzstrahlung, also der Bereich des elektromagnetischen Spektrums zwischen Infrarot und Mikrowellen, hat sich in jüngster Vergangenheit als ausgesprochen nützlich erwiesen. Sie durchdringt eine Vielzahl verschiedener Materialien ohne sie dabei zu beschädigen und wird unter anderem in der Medizin eingesetzt, um Patienten unter die Haut zu blicken.

Nun haben Physiker der Technischen Universität (TU) Wien bei der Entwicklung eines neuartigen Lasers für Terahertzstrahlung einen verblüffenden Trick angewandt: Indem sie in einen herkömmlichen Halbleiterlaser zufällig angeordnete Löcher "bohrten", ist es ihnen gelungen, einen gebündelten Lichtstrahl zu erzeugen.

Die Erzeugung von Terahertzstrahlung steckt allerdings noch immer in den Kinderschuhen. Vor allem die für chemische Analysen benötigte breitbandige und zugleich gerichtete Terahertzstrahlung stellt für die Forschung eine große Herausforderung dar. Zwar ist es mit sogenannten Quantenkaskadenlasern möglich, verschiedene Wellenlängen gleichzeitig und damit eine große Bandbreite zu erzeugen – diese Laser strahlen jedoch einen breiten Lichtkegel ab, der nur unter großem Aufwand zu einem Strahl gebündelt werden kann. Laser wiederum, die von vornherein einen gebündelten Strahl erzeugen, weisen in der Regel nur eine einzige Wellenlänge auf.

Mit Löchern zum Zufallslaser

Um diesem Dilemma beizukommen, haben die Wiener Forscher nun einen völlig neuen Zugang gewählt: eine Kombination aus einem herkömmlichen Quantenkaskadenlaser und einem sogenannten Zufallslaser. Zufallslaser basieren auf einem völlig ungeordneten Lasermedium, in dem das Licht erzeugt und danach immer wieder zufällig gestreut wird, wodurch sie viele unterschiedliche Wellenlängen gleichzeitig abstrahlen.

"Es ist schon länger bekannt, dass man das Licht von Quantenkaskadenlasern bündeln kann, indem man regelmäßig angeordnete Löcher in das aktive Medium bohrt. Allerdings weist der Strahl dann nur eine einzige Wellenlänge auf", erklärt Sebastian Schönhuber vom Institut für Photonik der TU Wien. "Indem wir aber anstatt einer regelmäßigen eine zufällige Anordnung gewählt habe, konnten wir auf überraschend einfache Weise einen gebündelten Strahl mit hoher Bandbreite erzeugen", meint der Erstautor der im Fachjournal "Optica" präsentierten Studie.

Der neue Laser hat die Form einer durchlöcherten Scheibe mit einer Dicke von nur einem hundertstel Millimeter und einem Durchmesser von einem halben Millimeter. Den Forschern zufolge könnte er mit üblichen Verfahren auf einfache Weise auch in großer Stückzahl produziert werden. "Die Herstellung an sich ist zwar anspruchsvoll, aber dank moderner Epitaxiemethoden zuverlässig realisierbar", so Schönhuber. "Die größere Herausforderung war es, eine geeignete Theorie zu entwickeln, die beschreibt, warum der Laser eigentlich diese günstigen Eigenschaften hat. Das ist uns in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Theoretische Physik der TU Wien schließlich gelungen." (APA, red, 29.9.2016)

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