Nichtlinearitäten komplexer Terahertz-Laser vermessen

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-Bereich. Dieser Teil des elektro­magnetischen Spektrums birgt enormes Potenzial für eine Vielzahl an zukünftigen Technologien, da er eine Brücke zwischen elektronischen und optischen Frequenzen bildet.

Eine effiziente Erzeugung von Terahertz-Strahlung außerhalb von Forschungs­laboren wird durch Quanten­kaskaden­laser, kurz QCL, ermöglicht. Diese Laser bestehen aus hauch­dünnen Schichten aus verschiedenen Halb­leiter­materialen, welche ein elektrisches Potenzial erzeugen, das sich auf der Längenskala nur eines Nanometers ändert. Für Elektronen, die durch diese Potenzial­landschaft getrieben werden, ähnelt das 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.

Jetzt gelang es einem inter­nationalen Forschungsteam, 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 Terahertz-Impulse kontrolliert zur Wechsel­wirkung gebracht werden. Die gemessene nicht­lineare Antwort des Systems gibt Aufschluss über die interne Elektronen­dynamik auf der Zeitskala von wenigen Femto­sekunden.

„Die Experimente zeigen eindrucksvoll, dass QCLs hoch­effiziente nicht­lineare Materialien darstellen, in denen nicht nur zwei, sondern bis zu acht Terahertz-Photonen nichtlinear mit­ein­ander wechsel­wirken“, erläutert Josef Riepl von der Univer­sität Regens­burg. Darüber hinaus ist es dem Team gelungen, diese Nicht­linearitäten maßgeblich zu kontrollieren.

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

TU Dortmund / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. Riepl 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
• Terahertz-Hochfeld-Spektroskopie, Experminentelle Physik 3, Technische Universität Dortmund
• Ultrafast Quantum Electronics And Photonics, Institut für experimentelle und angewandte Physik, Universität Regensburg