Zufallslaser strahlt in gezielte Richtung - Photonik

Zufallslaser strahlt in gezielte Richtung

Gebündelte, breitbandige Terahertzstrahlung galt als kaum erreichbares Ziel. Nun gelang eine erste Umsetzung mit einem überraschenden Trick.

Bild: TU Wien
Der Zufallslaser strahlt nicht in alle Richtungen, sondern gezielt nach oben

Terahertzwellen sind schwer herzustellen, aber sie sind äußerst nützlich. Man kann sie zum Beispiel für chemische Sensoren verwenden, die ganz bestimmte Stoffe detektieren. Dafür müssen sie allerdings zwei wichtige Anforderungen erfüllen: Erstens muss der Terahertz-Lichtstrahl eng gebündelt sein, damit man ihn gezielt an den gewünschten Ort lenken kann, und zweitens darf er nicht wie gewöhnliches Laserlicht bloß eine einzelne Wellenlänge aufweisen, sondern sollte aus vielen verschiedenen Wellenlängen zusammengesetzt sein. Beides gleichzeitig zu erreichen war bisher kaum möglich. An der Technischen Universität Wien gelang es nun mit einem Trick erstmals einen gebündelten Terahertz-Laser mit Breitband-Spektrum herzustellen: Durch zufällig angeordnete Löcher im aktiven Lasermedium.

 „Wir beschäftigen uns mit zwei unterschiedlichen Arten von Lasern, die auf den ersten Blick wenig miteinander zu tun haben“, sagt Sebastian Schönhuber vom Institut für Photonik der TU Wien. „Einerseits forschen wir an Quantenkaskadenlasern, die aus genau aufeinander abgestimmten dünnen Halbleiterschichten bestehen, andererseits haben wir uns in unserem aktuellen Projekt auch mit Zufallslasern beschäftigt.“

Quantenkaskadenlaser bestehen aus einem ausgeklügelten Halbleiter-Schichtsystem. Schon bei der Konstruktion des Lasers kann man dadurch genau festlegen, welche Wellenlängen das abgestrahlte Licht haben soll. Allerdings senden Quantenkaskadenlaser ihr Licht nicht in eine bestimmte Richtung, sondern sie strahlen für gewöhnlich einen breiten Lichtkegel ab. Dieses Licht danach wieder auf einen engen Strahl zu fokussieren ist kaum möglich.

Ein ähnliches Problem hat man bei den sogenannten Zufallslasern. Sie bestehen typischerweise aus Pulvern oder Flüssigkeiten, die das Licht erzeugen und es dann gleichzeitig in ihrem Inneren immer wieder zufällig streuen. So bewegen sich die Lichtwellen auf ungeordnete, schwer vorhersehbare Weise durch den Laser. Das kann dazu führen, dass viele unterschiedliche Wellenlängen gleichzeitig abgestrahlt werden – allerdings in alle Richtungen gleichzeitig.

In einem Forschungsprojekt, in dem TU-Forschungsgruppen aus der Elektrotechnik und aus der Physik zusammenarbeiteten, wurde nun beides miteinander verknüpft: An zufällig ausgewählten Positionen wurden Löcher in einen Quantenkaskadenlaser gebohrt, somit wurde er zum Zufallslaser. Der überraschende Nebeneffekt dieses neuen Konzepts: Der durchlöcherte Laser sendet seine Strahlung in Form eines sehr eng gebündelten Strahls direkt nach oben.

„Diesen Effekt im Detail zu erklären, war zunächst gar nicht einfach“, sagt Martin Brandstetter vom Institut für Photonik. Es liege an der Art, wie sich die einzelnen Wellenlängen zu einem Strahl addierten. Einzelne Frequenzanteile könnten in verschiedene Richtungen ausgesandt werden, aber insgesamt sei der Strahl eng fokussiert. Er zeige genau in die Richtung, in der man die Löcher in den Quantenkaskadenlaser gebohrt hat.

Damit steht nun erstmals ein Laser zur Verfügung, der einerseits breitbandige Terahertzstrahlung aus vielen unterschiedlichen Wellenlängen absendet und andererseits seine Strahlung in eine genau definierte Richtung abgibt – ein wichtiger Schritt für die Anwendung von Zufallslasern in der Praxis. Nun möchte man an der TU Wien noch einen Schritt weitergehen: „Wir wollen eine noch größere spektrale Bandbreite erreichen. Dadurch sollen neue Anwendungen in der Spektroskopie und bei bildgebenden Verfahren in diesem hochinteressanten aber technisch herausfordernden Bereich der Terahertzstrahlung möglich werden“, ist Sebastian Schönhuber zuversichtlich.

Originalveröffentlichung:

[S. Schönhuber, M. Brandstetter, T. Hisch, C. Deutsch, M. Krall, H. Detz, A. M. Andrews, G. Strasser, S. Rotter, K. Unterrainer, Random lasers for broadband directional emission, Optica Vol. 3 Issue 10 (2016), DOI: 10.1364/OPTICA.3.001035]

www.tuwien.ac.at

 
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