Sehen kann man sie nicht, die Terahertz-Wellen, doch Anwendungsideen gibt es genug. Sie durchdringen viele Materialien, die für sichtbares Licht undurchsichtig sind und eignen sich ausgezeichnet zum Aufspüren von zahlreichen Molekülen. Erzeugen lässt sich Terahertz-Licht mit Hilfe von Quantenkaskadenlasern, die nur wenige Millimeter groß sind. Diese ganz besondere Art von Lasern besteht 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.
Elektronensprünge erzeugen Terahertz-Licht
In jeder Schicht des Quantenkaskadenlasers können die Elektronen nur ganz bestimmte Energieniveaus annehmen. Legt man genau 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 exotische Terahertzstrahlung mit einer Wellenlänge im Submillimeterbereich (zwischen Mikrowellen- und Infrarot) effizient erzeugen.
Hohe Laserleistung für Science-Fiction-hafte Anwendungen
Viele Moleküle absorbieren Licht in diesem Wellenlängenbereich auf ganz charakteristische Weise, wodurch ein optischer Fingerabdruck entsteht. Dank dieser Eigenschaft kann Terahertz-Licht für chemische Detektoren eingesetzt werden. Auch für bildgebende Verfahren in der Medizin ist diese 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.
Diese Möglichkeiten erinnern stark an den legendären „Tricorder“ aus der TV-Serie „Star Trek“, einem tragbaren multifunktionalen Analyse- und Diagnosegerät. Neben einer kompakten Lichtquelle ist für Messungen an entfernten Objekten und für bildgebende Verfahren aber auch eine hohe optische Leistung erforderlich.
Eine Möglichkeit die Laserleistung zu erhöhen ist eine größere Anzahl von Halbleiterschichten zu verwenden. Je mehr Schichten der Laser hat, umso öfter wechselt das Elektron beim Durchgang den Energiezustand und umso mehr Photonen werden ausgesandt. Die Herstellung eines Lasers mit vielen Schichten ist allerdings schwierig, hier stößt man auf technologische Grenzen. Dem Team rund um Prof. Karl Unterrainer vom Institut für Photonik der TU Wien gelang es nun allerdings, zwei separate Quantenkaskadenlaser durch einen sogenannten Bonding-Prozess präzise übereinander zu stapeln.
„Das klappt aber nur bei einem ganz speziellen Design der Quantenkaskaden-Struktur“, erklärt Christoph Deutsch (TU Wien), „mit herkömmlichen Halbleiterlasern wäre das prinzipiell unmöglich.“ Man benötigt dazu symmetrische Laser, durch welche Elektronen in beiden Richtungen gleichermaßen hindurchwandern können. Das Team musste daher zuerst die herstellungsbedingten Asymmetrien der Laser erforschen und kompensieren.
Doppelt ergibt Vierfach – der Rekordlaser
Je mehr Schichten der Laser hat, umso öfter kann ein Elektron den Energiezustand wechseln und umso mehr Photonen werden erzeugt. Zusätzlich wird die Effizienz aufgrund verbesserter optischer Eigenschaften erhöht. „Deshalb bringt eine Verdoppelung der Halbleiterschichten sogar eine Vervierfachung der Leistung mit sich“, erklärt Martin Brandstetter (TU Wien). Der bisherige Weltrekord für Terahertz-Quantenkaskadenlaser wurde mit knapp 250 Milliwatt vom renommierten Massachusetts Institute of Technoloy (MIT) erzielt, der TU-Laser erreicht nun ein ganzes Watt. Das ist nicht nur ein weiterer Rekord der TU Wien, sondern stellt auch das Überschreiten einer wichtigen Hürde für den Einsatz von Terahertz-Quantenkaskadenlasern dar.
Originalpublikationen
M. Brandstetter et al., “High power terahertz quantum cascade lasers with symmetric wafer bonded active regions”, Appl. Phys. Lett., 103, 171113 (2013)
C. Deutsch et al., „Dopant migration effects in terahertz quantum cascade lasers”, Appl. Phys. Lett., 102, 201102 (2013).
Quantum Physics & Quantum Technologies ist – neben Computational Science & Engineering, Materials & Matter, Information & Communication Technology sowie Energy & Environment – einer von fünf Forschungsschwerpunkten der Technischen Universität Wien. Erforscht werden mögliche Anwendungen von Quantenphänomenen. Diese reichen von fundamentalen Wechselwirkungen der Elementarteilchen über Strahlungsquellen für ultrakurze Photonenpulse bis hin zur Steuerung der Zustände einzelner Atome und damit zu Bauelementen für den Quantencomputer.