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Durchbruch für künftige Terahertzkurzpulslaser

Ein neuartiger sättigbarer Absorber kann bereits bei extrem geringen Intensitäten betrieben werden und damit künftig ultrakurze THz-Pulse aus Quantenkaskadenlasern ermöglichen.

Terahertzstrahlung (THz) eröffnet ein vielfältiges Spektrum von Anwendungen, das sich von Sicherheitsscannern an Flughäfen über Spurengasdetektion bis hin zu ultraschneller Kommunikationstechnologie und Medizintechnik erstreckt. Viele weitere Technologien könnten hinzukommen, wenn ultrakurze Pulse direkt aus elektrisch gepumpten, kompakten THz-Lasern, den Quantenkaskadenlasern, erzeugt werden könnten. Diese funktionieren bisher jedoch nur im Dauerstrichbetrieb, also ohne zeitliche Variation der Leistung.

Mittels sättigbarer Absorber wären kostengünstige Quantenkaskadenlaser für kurze THz-Impulse realisierbar. Die Funktionsweise eines sättigbaren Absorbers lässt sich mit der eines beschlagenen Spiegels vergleichen, der wieder klar wird, sobald ausreichend intensives Licht darauf fällt. Bringt man ein solches Element in einen Quantenkaskadenlaser ein, so reicht die Lichtintensität im Fall kontinuierlicher Lichtemission nicht aus, um den Spiegel klar werden zu lassen – die hohen Verluste lassen den Laser nur schwaches oder gar überhaupt kein Licht emittieren. Konzentriert sich die gesamte Leistung des Lasers hingegen in einem einzigen, kurzen Lichtimpuls, so ist dieser intensiv genug, um den Absorber zu sättigen. Hierbei erfährt das Licht erheblich geringere Verluste, sodass er eine Präferenz für diesen Betriebsmodus ausbildet. Bislang allerdings waren sättigbare Absorber für den THz-Spektralbereich schwer zu realisieren und erforderten darüber hinaus Lichtintensitäten weit jenseits der Möglichkeiten eines Quantenkaskadenlasers.

Neue Klasse sättigbarer Absorber

Um eine neue Klasse sättigbarer Absorber zu entwickeln, ließ sich die Arbeitsgruppe von Professor Rupert Huber am Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg gemeinsam mit Professorin Miriam Vitiello, NEST Pisa, und Professor Edmund Linfield, University of Leeds, von der Musik inspirieren: Woher stammt zum Beispiel der einmalige Klang eines Steinway-Klaviers? Das Geheimnis liegt nicht in den Saiten, sondern vielmehr im Resonanzkörper. Dort entstehen Klang und Dynamik nach einem Tastenanschlag. „Im Grunde übernehmen wir diese Idee in die THz-Optik“, sagt Jürgen Raab von der Universität Regensburg. Miriam Vitiellos Gruppe entwickelte eine mikrostrukturierte Anordnung, bestehend aus einem Goldspiegel und einem Goldgitter, welche zusammen als Resonanzkörper für THz-Strahlung wirken. Dessen Resonanzen können stark mit Elektronen in speziellen Halbleiternanostrukturen gekoppelt werden, die in der Gruppe von Edmund Linfield auf eine einzelne Atomlage genau hergestellt wurden.

Auf der Zeitskala von Femtosekunden zeigte sich, dass der Absorber bereits bei einer um einen Faktor 10 geringeren Intensität sättigte als die reine Halbleiterstruktur alleine. Diese Reaktion setzte darüber hinaus schneller ein als eine einzelne Lichtschwingung des THz-Pulses. Zudem trat nahezu keine Absorption des intensiven THz-Pulses auf. Nun sind alle nötigen Komponenten vorhanden, um ultraschnelle Quantenkaskadenlaser mit sättigbaren Absorbern zu bauen, so die Wissenschaftler.

Neue Anwendungen

Da THz-Strahlung tausendfach schneller als die Taktraten moderner Computer oszilliert, könnten ultrakurze THz-Pulse eine neue Generation von Telekommunikationsverbindungen ermöglichen – weit schneller als 5G. Auch wichtige Fortschritte im Bereich der chemischen Analytik und der medizinischen Diagnostik sind denkbar.

von mg

Originalveröffentlichung:
[Jürgen Raab, Francesco P. Mezzapesa, Leonardo Viti, Nils Dessmann, Laura K. Diebel, Lianhe Li, A. Giles Davies, Edmund H. Linfield, Christoph Lange, Rupert Huber, and Miriam S. Vitiello, Ultrafast terahertz saturable absorbers using tailored intersubband polaritons. Nature Communications, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-020-18004-8]

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