Forschung & Entwicklung

450 µm-Terahertzwellen

Es ist es gelungen, Terahertzwellen mit einer Wellenlänge von 450 µm zu erzeugen. Um dies zu erreichen, wurde ein langwelliger Quantenkaskadenlaser entwickelt.

Letztes Jahr entwickelte Hamamatsu Photonics einen nicht linearen Terahertz-Quantenkaskadenlaser (QKL), der ein nichtkreuzendes Dual-Upper-State-System benutzt (AnticrossDAU TM). Dieser QKL erzeugt zwei Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge im mittleren Infrarotbereich von 6 bis 11 µm aus einem Einzelhalbleiter und induziert innerhalb des Geräts einen nichtlinearen optischen Effekt. Der QKL fungiert hier als kompakter Einzelhalbleiterlaser, der bei Raumtemperatur Terahertzwellen bis zu einer Wellenlänge von 150 µm erzeugt. Um elektromagnetische Wellen noch längerer Wellenlängen im Sub-Terahertz-Bereich zu erzeugen und auszugeben, müssen notwendigerweise zwei Lichtstrahlen mit kürzeren Wellenlängen im mittleren Infrarotbereich ausgegeben werden, was sich bislang als extrem schwer erwies, da das langwelligere Licht wahrscheinlich innerhalb des Gerätes absorbiert wurde.

Im Rahmen dieser Forschung hat Hamamatsu Photonics die Eigenschaften vieler QCLs untersucht, um den Prozess der Wellenlängenumwandlung in einem nichtlinearen Terahertz-QKL zu verstehen und dabei herausgefunden, dass die Theorie eines nicht linearen optischen Effekts, optische Gleichrichtung genannt, angewendet werden kann. Durch die Anwendung dieser Theorie des nicht linearen optischen Effekts auf den Mechanismus der Wellenlängenumwandlung konnte das nichtkreuzende Dual-Upper-State-Design optimiert und dadurch die unerwünschte Absorption von Licht innerhalb des Geräts unterdrückt werden, was es wiederum ermöglichte, zwei Lichtstrahlen im mittleren Infrarotbereich mit Wellenlängen bis zu 14 µm auszugeben und auch die Effizienz der Wellenlängenumwandlung zu steigern. Dadurch ist es gelungen, Terahertzwellen mit einer Wellenlänge von 450 µm auszugeben.

Anwendungen sind zum Beispiel Qualitätsprüfungen, zerstörungsfreie Prüfungen zur Identifizierung von Medikamenten und Lebensmitteln durch Differenzmessung der Komponenten, die elektromagnetische Wellen im Sub-Terahertz-Bereich absorbieren. Da die Wellenlängen von Terahertzwellen kürzer sind als die der Funkwellen, die für die Kommunikation benutzt werden und sich bis zu einem gewissen Maß auch ausbreiten, können sie außerdem auch für die Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungskommunikation über kurze Distanzen wie zu Hause, in Büros oder Datencenter benutzt werden. Weiter hat Hamamatsu Photonics QKLs hergestellt, die Terahertzwellen mit Wellenlängen von 130 µm, 210 µm und 270 µm erzeugen. Aktuell erzeugt der langwelligste QKL bislang 250 µm. Dieser QKL benötigt jedoch kryogene Kühlung auf unter -200 °C. Die wird zur Entwicklung von Halbleiterlasern führen, die den größten Teil des Terahertzbereichs mit einem einzigen, bei Raumtemperatur betriebenem Gerät abdecken können.

In der Zukunft plant das japanische Unternehmen die Entwicklung von Geräten mit höheren Ausgangsleistungen durch Erhöhung der Effizienz der Ausgabe von Terahertzwellen. Dazu wird das Design der QKL-Struktur, aber auch die Anwendungen zur Auskopplung und das Material für das Halbleitersubstrat verbessert werden. Hamamatsu Photonics strebt auch den kontinuierlichen Wellenbetrieb (CW) an, der einen konstanten Lichtausgang einer konstanten Intensität erzeugt.

von mn

www.hamamatsu.com

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