Durchbruch in der Strahlenforschung 30.10.2013, 14:00 Uhr

Quantenkaskadenlaser für Tumorfrüherkennung

Mit Terahertzwellen können Mediziner selbst kleinste Tumore erkennen. Doch der hohe Preis der Geräte steht einer flächendeckenden Nutzung im Weg. Neue Quantenkaskadenlaser als Strahlenquelle könnten dies nun ändern. 

Wissenschaftler der TU Wien haben mit ihrem neuen Quantenkaskadenlaser den Weltrekord geknackt. Er erreicht eine Leistung von einem Watt. Das ist die vierfache Leistung des bisher stärksten Lasers dieser Art, den US-amerikanische Forscher des MIT entwickelt hatten. 

Wissenschaftler der TU Wien haben mit ihrem neuen Quantenkaskadenlaser den Weltrekord geknackt. Er erreicht eine Leistung von einem Watt. Das ist die vierfache Leistung des bisher stärksten Lasers dieser Art, den US-amerikanische Forscher des MIT entwickelt hatten. 

Foto: Technische Universität Wien

Terahertz-Wellen haben ein enormes Potential: Eingesetzt wie Röntgengeräte liefern sie Bilder vom Inneren des Menschen, deren Auflösung ausreicht, um selbst kleinste Tumore zu erkennen. Anders als Röntgenlicht sind sie dabei nicht gesundheitsschädlich. Sie lassen sich zudem in der Nahrungsmittelindustrie zum Aufspühren verdorbener Lebensmittel und sogar in der drahtlosen Datenübertragung einsetzen. 

Das Problem: Obwohl die Wellen beinahe kleine Wunder bewirken, werden sie noch selten genutzt. Denn bisher gibt es keine kostengünstigen Geräte, die diese Strahlen in der benötigten Intensität herstellen können. Zwar hatten Forscher der Ruhr-Universität Bochum und der Universität Braunschweig schon vor ein paar Jahren den Weg zu einer Lösung gewiesen. Sie entwickelten einen Halbleiterlaser, der Licht mit zwei unterschiedlichen Frequenzen aussendet. Bei der Überlagerung entstehen Terahertz-Wellen. Doch die Intensität ließ zu wünschen übrig.

Quantenkaskadenlaser als wirksame Strahlungsquelle

Forscher der Technischen Universität (TU) Wien haben jetzt eine Strahlungsquelle entwickelt, die um ein Vielfaches stärker ist. Es handelt sich um einen Halbleiterlaser, der nach den geheimnisvollen Gesetzen der Quantenphysik arbeitet.

Der sogenannte Quantenkaskadenlaser besteht aus mehreren elektronisch wirksamen Schichten, in denen Elektronen unterwegs sind. Sie springen von einer Lage zur anderen. Dabei passiert zweierlei: Sie nehmen von der Quantenphysik gewissermaßen vorgeschriebene feste Energiezustände an, die von Schicht zu Schicht unterschiedlich sind. Beim Sprung aktivieren sie Lichtteilchen, also Photonen, die genau die gewünschte Frequenz haben. Gesteuert wird das Ganze durch unterschiedliche elektrische Spannungen, die an die einzelnen Lagen gelegt werden.

Wissenschaftler knacken Weltrekord 

Das Team um Professor Karl Unterrainer vom Institut für Photonik der TU Wien hat jetzt noch eins draufgesetzt. Mit einer Technik namens Wafer-Bonding, die für die Herstellung von Höchstleistungs-Solarzellen entwickelt wurde, pressten sie zwei dieser Laser aufeinander. Das musste mit einer Präzision von Millionstel Millimetern geschehen. Nun haben die Elektronen ein noch größeres Gebiet, das sie springend durchqueren können. Entsprechend höher ist die Terahertz-Ausbeute: Der erzeugte Strahl ist viermal so kräftig wie der eines einzelnen Lasers. Einen Watt erreichten die Wiener. Die bisherigen Rekordhalter vom Massachusetts Institute of Technology kommen auf lediglich 250 Milliwatt.

Von Wolfgang Kempkens
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