Physiker*innen untersuchen die Nichtlinearitäten eines Lasers
Einem Team von Forscher*innen aus Deutschland, Frankreich, dem Vereinigten Königreich und Schweden ist es gelungen, die Nichtlinearitäten äußerst komplexer Terahertz-Laser zu vermessen. Damit können Lasertechnologien weiterentwickelt werden, die Anwendungen in der modernen Telekommunikation, Medizin oder Biochemie in Aussicht stellen.
Aus der Welt der Musik sind die vielfältigen Klangfarben verschiedener
Instrumente nicht wegzudenken. Ohne sie würde Musik linear und
facettenlos wirken – ein einfaches Klavier und ein hochwertiger
Steinway-Flügel klängen genau gleich. Glücklicherweise definiert sich
der Klang eines Tons nicht nur durch dessen Grundfrequenz, sondern durch
eine Mischung von Grundton, Obertönen und Rauschanteilen. Es liegt in
der Kunst der Instrumentenbauer*innen, diese Obertöne gezielt
abzustimmen, um ein hochwertiges, reichhaltig klingendes Instrument zu
fertigen.
Auch in der modernen Quantenoptik spielen
Nichtlinearitäten eine zentrale Rolle. Mithilfe von nichtlinearen Medien
lassen sich ultrakurze – und somit mehrere optische Oktaven
überspannende – Lichtimpulse erzeugen. Auch können hochintensive
Laserquellen genutzt werden, um in nichtlinearen Prozessen Licht mit
sonst nur schwer zugänglichen Frequenzen zu erzeugen, wie solchen im
Terahertz (THz)-Spektralbereich. Dieser Teil des elektromagnetischen
Spektrums birgt enormes Potenzial für eine Vielzahl an zukünftigen
Technologien, da er eine Brücke zwischen elektronischen und optischen
Frequenzen bildet. Erste kommerzielle Anwendungen dieses rasant
wachsenden Feldes reichen von Scannern an Flughäfen und modernen
Mobilfunkgenerationen bis hin zu ultraschneller Kommunikation im Bereich
der Lichtwellenelektronik.
Eine effiziente Erzeugung von
THz-Strahlung außerhalb von Forschungslaboren wird durch sogenannte
„Quantenkaskadenlaser“ (engl. quantum cascade laser, kurz: QCL)
ermöglicht. Diese Laser bestehen aus hauchdünnen Schichten aus
verschiedenen Halbleitermaterialen, welche ein elektrisches Potenzial
erzeugen, das sich auf der Längenskala nur eines millionstel Millimeters
ändert. Für Elektronen, die durch diese Potenziallandschaft getrieben
werden, ähnelt dies einer Wasserkaskade mit abwechselnd flachen Abhängen
und abrupten Stufen. Jedes Mal, wenn ein Elektron eine Stufe
hinunterfällt, wird dabei Licht abgegeben. So elegant dieser Prozess
auch ist: Bisher war nur wenig über die Nichtlinearitäten von QCLs
bekannt, was ihr Optimierungspotenzial stark einschränkte.
QCLs sind hocheffiziente nichtlineare Materialien
Nun
ist es einem Forschungsteam der Universität Regensburg und der
Technischen Universität Dortmund gemeinsam mit Kolleg*innen aus
Deutschland, Frankreich, Schweden und Großbritannien gelungen, die
Nichtlinearitäten dieses technologisch hochrelevanten und äußerst
komplexen Lasers zu vermessen. Die neu entwickelte experimentelle
Methodik erlaubt es, die einzelnen Prozesse, die zusammen die optische
„Klangfarbe“ eines QCLs ausmachen, getrennt zu analysieren, indem im
Lasermedium zwei THz-Impulse kontrolliert zur Wechselwirkung gebracht
werden. Die gemessene nichtlineare Antwort des Systems gibt Aufschluss
über die interne Elektronendynamik auf der Zeitskala von wenigen
Femtosekunden – dem millionsten Teil einer milliardstel Sekunde.
„Die
Experimente zeigen eindrucksvoll, dass QCLs hocheffiziente nichtlineare
Materialien darstellen, in denen nicht nur zwei, sondern bis zu acht
THz-Photonen nichtlinear miteinander wechselwirken“, erläutert Josef
Riepl von der Universität Regensburg, Erstautor der Publikation. Darüber
hinaus ist es dem Team gelungen, diese Nichtlinearitäten maßgeblich zu
kontrollieren.
Die neuen Erkenntnisse werden die zukünftige
Entwicklung von Quantenkaskadenlasern weitreichend beeinflussen und so
die Anwendungsmöglichkeiten der THz-Photonik drastisch erweitern.
THz-Impulse übertreffen die Frequenzen moderner Computer um das
Tausendfache und könnten so das Rückgrat einer neuen Generation von
Telekommunikationsverbindungen und Signalverarbeitungsmethoden
(Multiplexing) bilden. Kompakte und moderne QCLs, die im THz-Bereich
emittieren, versprechen zudem große Fortschritte im Bereich der
chemischen Analytik und ermöglichen eine Vielzahl von Anwendungen in der
Medizin und Diagnostik.