Ultrakurze Terahertz-Impulse

22. Februar 2017, 17:03 Uhr
Ein Quantenkaskadenlaser fungiert als breitbandiger Terahertz-Verstärker mit einer Verstärkungsbandbreite von mehr als 1 THz.
Ein Quantenkaskadenlaser fungiert als breitbandiger Terahertz-Verstärker mit einer Verstärkungsbandbreite von mehr als 1 THz.
Wissenschaftlern der Technischen Universität Wien ist es gelungen, ultrakurze Terahertz-Impulse zu generieren. Diese Impulse mit einer Dauer von nur wenigen Picosekunden sind sehr nützlich bei spektroskopischen Untersuchungen und äußerst genauen Frequenzmessungen.

Durch ihre einzigartigen Eigenschaften ist Terahertz-Strahlung für eine Vielzahl von Anwendungen interessant, zum Beispiel der nicht-invasiven optischen Bildgebung in der medizinischen Diagnostik. Terahertz-Wellen dringen durch viele Materialien, die für sichtbares Licht undurchsichtig sind. Genauso wichtig ist, dass sie im Gegensatz zur Röntgenstrahlung für lebendes Gewebe ungefährlich ist. Außerdem besitzen viele Stoffe einen molekularen „Fingerabdruck“ im Terahertzbereich, so dass man ihnen spektroskopisch auf die Spur kommen kann.

Terahertzwellen können auf eine effiziente Weise mit Hilfe von Quantenkaskadenlasern erzeugt werden. Diese Laser bestehen aus einer genau definierten Abfolge (der Kaskade) mehrerer hundert gestapelter Halbleiterlagen mit einer Dicke von nur wenigen Nanometern. Dadurch ist es möglich, die Energieniveaus, in denen sich die Elektronen in der Halbleiterstruktur aufhalten, frei zu wählen. Somit kann die Frequenz des ausgestrahlten Laserlichts angepasst und auf die gewünschte Anwendung zugeschnitten werden.

Ein bisher ungelöstes Problem bei Terahertz-Quantenkaskadenlasern war die Existenz von Laserlinien (Frequenzen) mit unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten. Dies wird von lateralen Lasermoden höherer Ordnung verursacht. Dadurch wird die nutzbare Bandbreite stark reduziert. Durch das Hinzufügen eines Seitenabsorbers an den Kanten des Laserresonators gelang es den Forschern, diese lateralen Moden vollständig zu unterdrücken, ohne die fundamentalen Moden relevant zu beeinflussen. Dies führte zu einer Emissionsbandbreite von mehr als einer volle Oktave. Außerdem ermöglichen die Seitenabsorber die Erzeugung von ultrakurzen Terahertz-Impulsen mit einer Dauer von weniger als 3 ps.
 
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