Rekord bei Terahertzpuls-Erzeugung - Photonik

Rekord bei Terahertzpuls-Erzeugung

Nur wenige pikosekundenlange Terahertz-Pulse sind gut für spektroskopische Anwendungen geeignet und ermöglichen ultragenaue Frequenzmessungen.

Bild: TU Wien
Darstellung eines breitbandigen Terahertzverstärkers, basierend auf einem Quantenkaskadenlaser

Die Eigenschaften von Terahertzstrahlung macht sie interessant für zahlreiche Anwendungen wie nicht-invasive Bildgebung in der Medizin oder Detektion gefährlicher Stoffe. Terahertzwellen durchdringen viele Materialien, die für sichtbares Licht undurchsichtig sind. Im Vergleich zu Röntgenstrahlung sind sie ungefährlich für biologisches Gewebe. Außerdem besitzen viele Substanzen einen molekularen Fingerabdruck im Terahertzbereich, wodurch sie mittels spektroskopischer Verfahren aufgespürt werden können.

Eine effiziente Möglichkeit solche Terahertzwellen zu erzeugen, sind sogenannte Quantenkaskadenlaser, welche in der Arbeitsgruppe von Prof. Karl Unterrainer am Institut für Photonik der TU Wien hergestellt und erforscht werden. Der Aufbau der Quantenkaskadenlaser ermöglicht es, die Energieniveaus, in denen sich die Elektronen in der Halbleiterstruktur aufhalten, frei zu wählen. Somit kann die Frequenz des ausgestrahlten Laserlichts angepasst und auf die gewünschte Anwendung zugeschnitten werden. In den letzten vier Jahren wurde im EU-Projekt TERACOMB an einem auf Quantenkaskadenlaser basierenden Terahertz-Frequenzkamm geforscht. Unter der Leitung von Dr. Juraj Darmo vom Institut für Photonik gelang es dem Team aus internationalen Forschungsgruppen den ersten breitbandigen halbleiterbasierten Terahertz-Frequenzkamm zu realisieren.

Den Laser bei der Arbeit beobachten

Eine in der Gruppe von Prof. Unterrainer entwickelte Methode erlaubt es, interne Parameter von Quantenkaskadenlasern während des Laserbetriebs zu untersuchen. Die Technik beruht auf der zeitaufgelösten Spektroskopie, in der breitbandige Terahertzpulse die zu messende Probe durchdringen. Diese auf Femtosekunden-Laser basierte Technik ermöglicht es, den vollständigen Informationsgehalt des Zeit- und Frequenz-Bereichs in einer einzigen Messung zu erfassen. Dadurch gelang es den Forschern, den optischen Gewinnkoeffizienten und die optische Dispersion in breitbandigen Terahertz-Quantenkaskadenlasern quantitativ zu bestimmen, sowie die komplexen Dynamiken besser zu verstehen. Mit diesen Erkenntnissen lassen sich die Bandbreite der Laser weiter zu erhöhen und die Leistungsfähigkeit der Frequenzkämme verbessern.

Homogene Modenverteilung

Ein bisher ungelöstes Problem bei Terahertz-Quantenkaskadenlasern war die Existenz von Laserlinien mit unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten. Das Vorhandensein von Lasermoden mit höherer lateraler Ordnung führt dazu, dass die Intensität sehr inhomogen zwischen den Laserlinien verteilt wird, reduziert die nutzbare Bandbreite und verhindert die Entstehung eines Frequenzkamms. Um zu verhindern, dass diese Moden anschwingen können, müssen die Verluste so stark erhöht werden, dass sie die Laserschwelle nicht erreichen. Durch das Hinzufügen eines maßgeschneiderten Seitenabsorbers an den Kanten des Laserresonators gelang es, die höheren lateralen Moden vollständig zu unterdrücken, ohne die fundamentalen Moden relevant zu beeinflussen. Dies führte zu einer Emissionsbandbreite, die sich über eine volle Oktave erstreckt, zu einer sehr homogenen Modenverteilung in den zentralen 700 GHz und einem Frequenzkamm mit einer Bandbreite von 440 GHz. Außerdem ermöglichen die Seitenabsorber die Erzeugung von ultrakurzen Terahertzpulsen mit Pulsbreiten von weniger als 3 Pikosekunden. Dies entspricht einem neuen Rekord von Quantenkaskadenlaser generierten Terahertz-Pulsen.

Originalveröffentlichungen:

[D. Bachmann, M. Rösch, M. J. Süess, M. Beck, K. Unterrainer, J. Darmo, J. Faist, G. Scalari, Short pulse generation and mode control of broadband terahertz quantum cascade lasers, Optica 3 (2016), DOI: 10.1364/OPTICA.3.001087]

[D. Bachmann, M. Rösch, G. Scalari, M. Beck, J. Faist, K. Unterrainer, J. Darmo, Dispersion in a broadband terahertz quantum cascade laser, Appl. Phys. Lett. 109 (2016), DOI: 10.1063/1.4969065]

www.tuwien.ac.at

www.teracomb.org

 
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