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VERÖFFENTLICHUNG IN „NATURE LIGHT: SCIENCE & APPLICATIONS“

Physiker*innen un­ter­su­chen die Nichtlinearitäten eines Lasers

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Nichtlinearität eines Lasers © 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.

Portrait 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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