Terahertz-Quantenkaskadenlaser: TU Wien mit Weltrekord

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. Das gelang folgendermaßen: 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.

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.

"Tricorder" von Startrek

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.

Dem Team rund um Prof. Karl Unterrainer vom Institut für Photonik der TU Wien gelang es nun, 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. Je mehr Schichten der Laser hat, 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 – mit dem Erreichen der Watt-Grenze wurde auch eine wichtige Hürde für den Einsatz von Terahertz-Quantenkaskadenlasern genommen.