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Ultrashort Pulse Generation from Terahertz Quantum Cascade Lasers

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Erschließung neuer Anwendungen bei Quantenkaskadenlasern

Ein Konsortium demonstrierte im Rahmen des EU-finanzierten Projekts ULTRAQCL die Weiterentwicklung von Quantenkaskadenlasern zur Erzeugung ultrakurzer Impulse im Terahertz-Frequenzbereich, was neue Anwendungen wie schnelle Gasdetektion und Mikrowellenerzeugung möglich machen soll.

Industrielle Technologien

Wissenschaftler in Deutschland, Frankreich, Italien und dem Vereinigten Königreich erzielten gemeinsam einen wichtigen Durchbruch in der Lasertechnologie und ebnen damit den Weg für Anwendungen wie schnelle Gasdetektion über Messtechniken bis hin zu Mikrowellendetektion und zerstörungsfreie Prüfungen. Das EU-finanzierte Projekt ULTRAQCL zeigte, dass Quantenkaskadenlaser im Terahertz-Frequenzbereich auch für die Erzeugung ultrakurzer Impulse von nur einer Pikosekunde angepasst werden können. „Dies entspricht der Verbesserung um eine Größenordnung“, sagt Dr. Sukhdeep Dhillon, Projektkoordinator im Physiklabor des Nationalen Zentrums für wissenschaftliche Forschung (CNRS) und der École Normale Supérieure in Paris. „Bislang ging man davon aus, dass solche Laser aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften nicht für die Erzeugung ultrakurzer Impulse angepasst werden können.“ Nun jedoch demonstrierten die Projektforscher die Machbarkeit ultrakurzer Impulse in einem stabilisierten Frequenzkamm – einem breiten Spektrum aus äquidistanten schmalen Linien – mit großer spektraler Bandbreite. „Dies eröffnet Möglichkeiten für die so genannte Dualkammspektroskopie, um Messungen durchzuführen oder mehrere Gasspezies mit spektralen Signaturen im THz-Bereich zu identifizieren“, erklärt Dr. Dhillon. Die Forscher zeigten auch, dass kurze THz-Impulse eine geeignete Methode zur Erzeugung rauscharmer Mikrowellenstrahlung und ultraschnellen THz-Detektion in der Freiraumtelekommunikation sind. Das Konsortium demonstrierte zudem die Eignung der Laser für Pulslaufzeitmessungen. Damit wird gemessen, wie lange Objekte, Partikel oder Wellen benötigen, um eine Strecke durch ein Medium zurückzulegen, was den Laser für zerstörungsfreie Prüfungen prädestiniert.

Gasdetektion

Mit dem zunehmenden Interesse an der Kommerzialisierung solcher Anwendungen wird der gesamte THz-Markt inzwischen auf rund 272 Mio. EUR geschätzt, mit einem prognostizierten Anstieg auf 1,3 Mrd. EUR bis 2025. Schwerpunkt der Forschergruppe ist nun die mögliche Erzeugung von kurzen Impulsen und Frequenzkämmen für die Detektion mehrerer Arten von Gasen, dem sich die Forscher in einem künftigen Projekt widmen wollen. ULTRAQCL entwickelte bereits zahlreiche Spin-off-Technologien für die Industrie und verfolgte dabei die Projektziele weiter. So wurden inzwischen drei Patentanmeldungen eingereicht, u. a. für echofreie photoleitende Schalter und einen Quarzschalter für verstärkerbasierte Systeme. Im Projekt wurde damit bereits die Impulserzeugung bei QCL untersucht, nun sind sie für den Vertrieb vorgesehen. Den Erfolg des Projekts führen die Partner auf die Bündelung der Fachkenntnisse europäischer Forschungszentren zurück: so lag der Schwerpunkt der Universität Leeds im Vereinigten Königreich auf materiellem Wachstum, beim CNRS auf aktiven und beim CNR-Nano in Italien auf passiven Methoden der Impulserzeugung. Die Universität Paris Süd koordinierte Fertigungsmethoden, die Universität Regensburg in Deutschland die ultraschnelle Dynamik, und das Nationalinstitut für Optik in Italien befasste sich vor allem mit Anwendungen, insbesondere für Messtechniken. „Im Projekt war die enge Zusammenarbeit für die erzielten Fortschritte entscheidend“, sagt Dr. Dhillon, „und obwohl alle Partner eigene Aufgaben hatten, wurden jeweils Impulse zu Aktivitäten der anderen beigetragen, sodass die Projektziele erreicht wurden.“

Schlüsselbegriffe

ULTRAQCL, Quantenkaskadenlaser, kurze Impulse, Terahertz-Frequenzbereich, schnelle Gasdetektion, Mikrowellenerzeugung

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