DLR und PDI entwickeln gemeinsam ein Terahertz-Lasersystem für unterwegs

01.06.2010: Berliner Planetenwissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und Halbleiterspezialisten des Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) haben gemeinsam ein leichtes Lasersystem für Terahertz-Strahlung entwickelt. Es ist so kompakt, dass es auch in einem Forschungsflugzeug zur Messung von Weltraumstrahlung zum Einsatz kommen kann.

Um den Kosmos zu erforschen, bedienen sich Wissenschaftler modernster spektroskopischer Verfahren. Sie können damit kleinste Teilchen und Moleküle im All identifizieren und so Aussagen über die Entstehung und das Vergehen von Sternen und Planeten treffen. Viele dieser Moleküle senden Strahlung im Terahertzbereich aus, das ist der Frequenzbereich zwischen Mikrowellen und Infrarotstrahlung, also zwischen 0,3 und 10 Terahertz. Insbesondere höhere Frequenzen, etwa die von 4,7 Terahertz, interessieren die Forscher, da hier einzigartige Informationen gewonnen werden können. „Diese Frequenzen können nicht vom Erdboden aus gemessen werden, da die Atmosphäre sie absorbiert. Daher müssen wir mit einem Astronomieflugzeug aufsteigen“, sagt Prof. Heinz-Wilhelm Hübers vom DLR-Institut für Planetenforschung. Die DLR-Wissenschaftler haben deshalb gemeinsam mit Forschern des PDI ein kompaktes Lasersystem entwickelt, welches Frequenzen im oberen Terahertzbereich aussendet und als Lokaloszillator für einen mobilen Heterodynempfänger dienen soll.

Herzstück des Systems ist ein nur wenige Millimeter großer Quantenkaskadenlaser aus dem PDI, der eine besonders niedrige Betriebsspannung und eine geringe Schwellstromdichte aufweist, so dass die verwendete elektrische Leistung vergleichbar klein ist. Dies ist wichtig, weil die Quantenkaskadenlaser beim Betrieb warm werden. „Ziel ist es, solche Lasersysteme bei Temperaturen oberhalb von flüssigem Stickstoff, also 77 Kelvin, im Dauerstrichbetrieb zu betreiben“, sagt Prof. Holger Grahn vom PDI. In dem kompakten Terahertz-Lasersystem kann der Quantenkaskadenlaser bei Temperaturen zwischen 35 und 80 Kelvin mit einem mechanischen Kühler betrieben werden. „Dies ist eine wesentliche Voraussetzung, um das System im Flugzeug mitzunehmen“, erläutert Hübers. Denn bislang müssen ähnliche Laser mit flüssigem Helium also auf vier Kelvin gekühlt werden, oder sie benötigen große Kühlmaschinen, die einen hohen Energieverbrauch haben. Solche Systeme sind für den Einsatz im Flugzeug nicht geeignet. Dagegen hat das neue Lasersystem eine Leistungsaufnahme von nur 240 Watt und ist mit 15 Kilogramm ein Leichtgewicht unter den Terahertz-Lasersystemen. „Es ist uns gelungen, das System so zu optimieren, dass es mobil eingesetzt werden kann“, so Hübers. Auf der Basis des Prototypen soll jetzt ein Lasersystem für den Einsatz auf dem Astronomieflugzeug SOFIA entwickelt werden.

Aber auch für andere Anwendungen, etwa die Spektroskopie von Sprengstoffen an Flughäfen oder die Detektion von Umweltgiften, kommt das System nach Ansicht von Hübers in Frage. Die Forscher wollen es deshalb so weiterentwickeln, dass es für kommerzielle Anwendungen attraktiv ist.

Originalveröffentlichung: Optics Express Vol. 18, Iss. 10, pp. 10177–10187 (2010)