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Veröffentlichung in „Nature Light: Science & Applications“

Physiker*innen untersuchen die Nichtlinearitäten eines Lasers

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Grafische Darstellung eines Quantenkaskadenlasers mit Terahertz-Impulsen als blaue Wellenformen und einem elektrischen Feld als rote Wellenform © Josef Riepl​/​Universität Regensburg
Ultrakurze Terahertz-Impulse (blaue Wellenformen) werden in einem speziell entwickelten Versuchsaufbau auf einen laufenden QCL (graue/goldene Struktur) fokussiert. Im Lasermedium interagieren diese nichtlinear mit dem Laserübergang. Das transmittierte elektrische Feld (rote Wellenform) enthält Signale, die aus der Wechselwirkung von bis zu acht Photonen resultieren.

Prof. Christoph Lange von der Fakultät Physik und einem internationalen Forschungsteam ist es gelungen, die Nichtlinearitäten äußerst komplexer Terahertz-Laser zu vermessen. Damit können Lasertechnologien weiterentwickelt werden, die Anwendungen in der modernen Telekommunikation, Medizin oder Biochemie in Aussicht stellen. Die Erkenntnisse wurden kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Light: Science & Applications“ veröffentlicht.

Aus der Welt der Musik sind die vielfältigen Klangfarben verschiedener Instrumente nicht wegzudenken. Ohne sie würde Musik linear und facettenlos wirken – ein einfaches Klavier und ein hochwertiger Steinway-Flügel klängen genau gleich. Glücklicherweise definiert sich der Klang eines Tons nicht nur durch dessen Grundfrequenz, sondern durch eine Mischung von Grundton, Obertönen und Rauschanteilen. Es liegt in der Kunst der Instrumentenbauer*innen, diese Obertöne gezielt abzustimmen, um ein hochwertiges, reichhaltig klingendes Instrument zu fertigen.

Auch in der modernen Quantenoptik spielen Nichtlinearitäten eine zentrale Rolle. Mithilfe von nichtlinearen Medien lassen sich ultrakurze – und somit mehrere optische Oktaven überspannende – Lichtimpulse erzeugen. Auch können hochintensive Laserquellen genutzt werden, um in nichtlinearen Prozessen Licht mit sonst nur schwer zugänglichen Frequenzen zu erzeugen, wie solchen im Terahertz (THz)-Spektralbereich. Dieser Teil des elektromagnetischen Spektrums birgt enormes Potenzial für eine Vielzahl an zukünftigen Technologien, da er eine Brücke zwischen elektronischen und optischen Frequenzen bildet. Erste kommerzielle Anwendungen dieses rasant wachsenden Feldes reichen von Scannern an Flughäfen und modernen Mobilfunkgenerationen bis hin zu ultraschneller Kommunikation im Bereich der Lichtwellenelektronik.

Eine effiziente Erzeugung von THz-Strahlung außerhalb von Forschungslaboren wird durch „Quantenkaskadenlaser“ (engl. quantum cascade laser, kurz: QCL) ermöglicht. Diese Laser bestehen aus hauchdünnen Schichten aus verschiedenen Halbleitermaterialien, welche ein elektrisches Potenzial erzeugen, das sich auf der Längenskala nur eines millionstel Millimeters ändert. Für Elektronen, die durch diese Potenziallandschaft getrieben werden, ähnelt dies einer Wasserkaskade mit abwechselnd flachen Abhängen und abrupten Stufen. Jedes Mal, wenn ein Elektron eine Stufe hinunterfällt, wird dabei Licht abgegeben. So elegant dieser Prozess auch ist: Bisher war nur wenig über die Nichtlinearitäten von QCLs bekannt, was ihr Optimierungspotenzial stark einschränkte.

QCLs sind hocheffiziente nichtlineare Materialien

Nun ist es einem Forschungsteam an der TU Dortmund gemeinsam mit Kolleg*innen aus Deutschland, Frankreich, Schweden und Großbritannien gelungen, die Nichtlinearitäten dieses technologisch hochrelevanten und äußerst komplexen Lasers zu vermessen. Die neu entwickelte experimentelle Methodik erlaubt es, die einzelnen Prozesse, die zusammen die optische „Klangfarbe“ eines QCLs ausmachen, getrennt zu analysieren, indem im Lasermedium zwei THz-Impulse kontrolliert zur Wechselwirkung gebracht werden. Die gemessene nichtlineare Antwort des Systems gibt Aufschluss über die interne Elektronendynamik auf der Zeitskala von wenigen Femtosekunden – dem millionsten Teil einer milliardstel Sekunde.

„Die Experimente zeigen eindrucksvoll, dass QCLs hocheffiziente nichtlineare Materialien darstellen, in denen nicht nur zwei, sondern bis zu acht THz-Photonen nichtlinear miteinander wechselwirken“, erläutert Josef Riepl von der Uni Regensburg, Erstautor der Publikation. „Darüber hinaus ist es uns gelungen, diese Nichtlinearitäten maßgeblich zu kontrollieren“, ergänzt TU-Professor Christoph Lange.

Die neuen Erkenntnisse werden die zukünftige Entwicklung von Quantenkaskadenlasern weitreichend beeinflussen und so die Anwendungsmöglichkeiten der THz-Photonik drastisch erweitern. THz-Impulse übertreffen die Frequenzen moderner Computer um das Tausendfache und könnten so das Rückgrat einer neuen Generation von Telekommunikationsverbindungen und Signalverarbeitungsmethoden (Multiplexing) bilden. Kompakte und moderne QCLs, die im THz-Bereich emittieren, versprechen zudem große Fortschritte im Bereich der chemischen Analytik und ermöglichen eine Vielzahl von Anwendungen in der Medizin und Diagnostik.

Portraitfoto von Prof. Lange. © Felix Schmale​/​TU Dortmund
Christoph Lange ist Professor für Experimentelle Physik an der TU Dortmund.

Originalpublikation:

Riepl, J., Raab, J., Abajyan, P. et al. Field-resolved high-order sub-cycle nonlinearities in a terahertz semiconductor laser. Light Sci Appl 10, 246 (2021). DOI: 10.1038/s41377-021-00685-5

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