26.09.2016 - Technische Universität Wien - Institut für Verbrennungskraftmaschinen u. Kraftfahrzeugbau

Leuchtender Zufall

Es galt als kaum erreichbares Ziel in der Laserforschung: Gebündeltes Licht im Terahertz-Bereich, das aus vielen verschiedenen Wellenlängen besteht. An der TU Wien gelang nun eine erste Umsetzung mit einem überraschenden Trick.

Terahertzwellen sind zwar 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 TU Wien gelang es nun mit einem ungewöhnlichen Trick erstmals einen gebündelten Terahertz-Laser mit Breitband-Spektrum herzustellen: Durch zufällig angeordnete Löcher im aktiven Lasermedium.

Den Zufall mit einbauen

„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 (Fakultät für Elektrotechnik) 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 werden an der TU Wien bereits seit Jahren entwickelt. Sie 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 - einem völlig anderen und recht neuen Konzept der Lasertechnik. „Zufallslaser bestehen typischerweise aus Pulvern oder Flüssigkeiten, die das Licht erzeugen und es dann gleichzeitig in ihrem Inneren immer wieder zufällig streuen“, erklärt Stefan Rotter vom Institut für Theoretische Physik. 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, ähnlich wie bei einer Glühbirne.

Zufällige Löcher, wie im Schweizer Käse

In einem Forschungsprojekt, in dem die beiden 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 zunächst überraschende Nebeneffekt dieses neuen Konzepts: Der durchlöcherte Laser sendet seine Strahlung direkt nach oben, in Form eines sehr eng gebündelten Strahls.

„Diesen Effekt im Detail zu erklären, war zunächst gar nicht einfach“, sagt Martin Brandstetter vom Institut für Photonik. „Es liegt an der Art, wie sich die einzelnen Wellenlängen zu einem Strahl addieren. Einzelne Frequenzanteile können in verschiedene Richtungen ausgesandt werden, aber insgesamt ist der Strahl eng fokussiert. Er zeigt 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 Teraherzstrahlung 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.

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