Forscher erzeugen mit Laser-Sandwich ultrakurze Terahertz-Pulse

25. Februar 2017, 08:05
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Konstruktion von Wissenschaftern der TU Wien und der ETH Zürich ermöglicht große Frequenz-Bandbreite im Terahertz-Bereich

Wien – Terahertz-Strahlung ist aufgrund ihrer Eigenschaften vielfältig anwendbar. Wiener Forscher haben nun sogenannte Quantenkaskadenlaser mit einer sehr großen Frequenz-Bandbreite im Terahertz-Bereich (THz) und Laserlinien im exakt gleichen Abstand konstruiert. Dadurch sind die ausgesendeten THz-Pulse nur wenige Billionstel Sekunden kurz und eignen sich etwa für spektroskopische Anwendungen.

Mit einer Wellenlänge von weniger als einem Millimeter liegen Terahertz-Strahlen zwischen Infrarot- und Mikrowellenstrahlung. Sie durchdringen viele Materialien, sind aber biologisch ungefährlich. In Körperscannern werden THz-Strahlen bereits eingesetzt und es gibt viele weitere Anwendungsideen im Medizin-, Technik- und Sicherheitsbereich.

Eine sehr kompakte und effiziente Quelle für Terahertz-Licht sind Quantenkaskadenlaser. Diese bestehen aus maßgeschneiderten Halbleiterschichten im Nanometerbereich, der Laser ist insgesamt nur wenige Millimeter groß. Durch die Abfolge der Schichten kann man Eigenschaften des Lasers gezielt steuern, etwa die Wellenlänge seines Lichts.

Breitbandige Terahertz-Strahlung

Die Forscher vom Institut für Photonik der Technischen Universität (TU) Wien haben in Zusammenarbeit mit Kollegen von der Eidgenössisch Technischen Hochschule (ETH) Zürich nun sandwichartig mehrere Schichtabfolgen mit unterschiedlichen Emissionsfrequenzen aufeinandergestapelt und können damit breitbandige Terahertz-Strahlung erzeugen. "Typische Quantenkaskadenlaser haben ein bis fünf Laserlinien, unserer hat 80", erklärte TU-Forscher Dominic Bachmann.

Zudem ist es den Wissenschaftern gelungen, den Laser so zu konstruieren, dass der Abstand zwischen den verschiedenen Laserlinien hundertprozentig konstant ist. "Der Quantenkaskadenlaser agiert damit als Frequenzkamm", so Bachmann. Mit solchen Frequenzkämmen – deren erste Herstellung wurde 2005 mit dem Physiknobelpreis geehrt – lassen sich Frequenzen elektromagnetischer Wellen sehr exakt messen.

Datenkommunikation und Materialienforschung

"Je größer die Bandbreite an Frequenz ist, desto kürzer können die Pulse werden, das ist ein fundamentaler Zusammenhang", sagte Bachmann. Aufgrund der hohen Bandbreite erzeugen die Wiener Forscher mit ihrem Laser nur 3 Pikosekunden lange THz-Pulse (eine Pikosekunde ist der billionste Teil einer Sekunde). Über ihre Fortschritte berichteten die Wissenschafter in zwei Arbeiten in den Fachjournalen "Optica" und "Applied Physics Letters".

Solche kurzen, intensiven, breitbandigen Pulse würden sich sowohl zur Untersuchung von Materialien, als auch für die Datenkommunikation eignen. Vor allem für die Spektroskopie bieten sich die THz-Pulse an. Jeder Stoff absorbiert und reflektiert Strahlung verschiedener Wellenlängen auf unterschiedliche Weise, speziell im THz-Bereich haben viele Moleküle einen typischen molekularen Fingerabdruck. Dieser ist umso präziser, je genauer man die Frequenz der Strahlung kennt. Und die kann in dem Laser durch den Frequenzkamm exakt ermittelt werden. (APA, 25.2.2017)

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