Ein neues Lasersystem könnte viele bestehende Technologien ersetzen – zumindest, wenn es nach den Teams der TU Wien und der Harvard University geht. Gemeinsam haben sie einen Halbleiterlaser entwickelt, der nicht nur besonders kompakt und stabil arbeitet, sondern auch eine Besonderheit mitbringt: Seine Wellenlänge lässt sich frei und ohne mechanische Teile einstellen.
Im Zentrum des Konzepts stehen ringförmige Resonatoren. „Durch die Anpassung der Ringgröße können wir effektiv jede gewünschte Linie und jede gewünschte Laserfrequenz anvisieren“, erklärt Theodore Letsou, der in Capassos Labor an der Harvard School of Engineering tätig ist. Das System benötigt keine Gitter, keine beweglichen Spiegel und keine aufwendige Justierung – das spart Platz, Energie und Kosten.
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Warum Infrarot so wichtig ist
Laser im Infrarotbereich sind vielseitig einsetzbar – in der Molekülanalyse, bei der Umweltüberwachung oder in der Medizintechnik. Gerade hier kommt es auf eine präzise Abstimmung der Wellenlänge an. Doch bisher waren solche Laser meist mit Einschränkungen verbunden: Entweder sie konnten nur kleine Spektralbereiche ohne störende Sprünge durchlaufen oder sie waren technisch aufwendig.
„Die Lasertechnologie muss häufig Kompromisse eingehen“, sagt Prof. Benedikt Schwarz, Leiter der Forschungsgruppe für optoelektronische Bauelemente an der TU Wien. „Entweder erreicht man eine hohe Präzision, dann ist der Wellenlängenbereich begrenzt. Oder man hat eine große Bandbreite, verliert aber die Genauigkeit.“
Das Funktionsprinzip: Kleine Ringe, große Flexibilität
Die Lösung liegt in mehreren Halbleiterringen, die auf einem Chip platziert sind. Jeder Ring hat einen anderen Durchmesser und damit eine andere Resonanzfrequenz. Die Strukturen basieren auf sogenannten Quantum-Cascade-Lasern, die sich für infrarotes Licht besonders gut eignen. Gekoppelt sind die Ringe über einen gemeinsamen Wellenleiter – so können sie entweder einzeln oder gemeinsam Licht abstrahlen.
Ein einzelner Ring deckt bereits mehr Spektrum ab als viele konventionelle DFB-QCLs (Distributed Feedback Quantum Cascade Lasers), die nur auf wenige cm⁻¹ kommen. Das neue System schafft über 30 cm⁻¹ – rund 1 Terahertz – bei deutlich geringerer Komplexität.
Mehr Farben gleichzeitig
Ein weiterer Vorteil: Das System kann mehrere Wellenlängen gleichzeitig emittieren. Herkömmliche Laser erzeugen in der Regel nur eine Farbe. Der neue Laser kombiniert jedoch verschiedene Resonatoren auf kleinstem Raum – so entsteht ein mehrfarbiger Strahl, ideal für die gleichzeitige Detektion verschiedener Moleküle.
„Die Möglichkeit, mehrere Laserfarben gleichzeitig auszugeben, macht das System extrem flexibel“, erklärt Schwarz. Besonders bei spektroskopischen Verfahren wie der Wavelength Modulation Spectroscopy oder der Dual-Comb-Spektroskopie eröffnen sich dadurch neue Anwendungen.
Stabil auch bei Rückkopplung
Ein häufiges Problem in der Lasertechnik ist die Rückkopplung: Licht, das in die Quelle zurückreflektiert wird, kann die Emission stören oder destabilisieren. Nicht so bei der Ringstruktur. Denn diese arbeitet unidirektional – das Licht verlässt den Ring nur in eine Richtung. Selbst bei gezielter Rückeinspeisung mit 75 Milliwatt blieb der neue Laser unbeeinflusst.
„Der Seed-Laser begann zu flackern – der Ringlaser jedoch blieb standhaft“, beschreibt Schwarz den Versuch.
Fertigung ohne Spezialtricks
Trotz ihrer komplex wirkenden Funktion lassen sich die Laserstrukturen relativ einfach herstellen. Alle Elemente werden in einem einzigen Photolithografie-Schritt definiert. Das macht die Technologie besonders interessant für Anwendungen in der Sensorik – etwa bei der Überwachung von Gasleitungen, bei Diagnosesystemen oder in der Telekommunikation.
Johannes Fuchsberger, Doktorand an der TU Wien, hebt hervor: „Das Schöne an unserem Laser ist seine einfache Herstellung. Wir haben keine mechanisch beweglichen Teile und ein einfaches Fertigungsschema, das nur wenig Platz braucht.“
Auf dem Weg in die Anwendung
Aktuell arbeitet der Laser im Bereich um 8 µm – perfekt für infrarote Spektroskopie. Doch die Forschenden betonen, dass das System auch in anderen Wellenlängenbereichen realisierbar ist. Möglich wären Anwendungen im sichtbaren Licht oder sogar im Bereich der Terahertz-Strahlung. Auch andere Lasertypen wie Interband-Cascade- oder Quantenpunkt-Laser lassen sich integrieren.
Die Technologie wurde bereits zum Patent angemeldet. Die Publikation der Ergebnisse erfolgte in der Fachzeitschrift Optica. Entwickelt wurde das System unter der gemeinsamen Leitung von Prof. Schwarz (TU Wien) und Prof. Capasso (Harvard). Beide Teams arbeiten seit Jahren an neuartigen Konzepten in der optoelektronischen Forschung.
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