Een groep wetenschappers van TU Wien en ETH Zürich is erin geslaagd om ultrakorte terahertz-lichtpulsen te genereren. Met lengtes van slechts enkele picoseconden, deze pulsen zijn bij uitstek geschikt voor spectroscopische toepassingen en maken uiterst nauwkeurige frequentiemetingen mogelijk.

Door de unieke eigenschappen van terahertz-straling is het van belang voor een breed scala aan potentiële toepassingen, inclusief niet-invasieve medische beeldvorming en de detectie van gevaarlijke stoffen. Terahertz-golven kunnen door veel materialen dringen die ondoorzichtig zijn voor zichtbaar licht en, in tegenstelling tot röntgenstraling, vormen geen risico op beschadiging van biologisch weefsel. Naast dit, veel stoffen hebben een moleculaire vingerafdruk in het terahertz-bereik, waardoor ze kunnen worden gedetecteerd met behulp van spectroscopische methoden. Een efficiënte manier om deze terahertz-golven te genereren, is het gebruik van kwantumcascadelasers, die een werkgroep onder leiding van prof. Karl Unterrainer van het Photonics Institute van de TU Wien heeft onderzocht en ontwikkeld. Kwantumcascadelasers bestaan ​​uit een nauwkeurig gedefinieerde reeks van honderden halfgeleiderlagen die slechts enkele nanometers dik zijn. Door deze speciale constructie is er de vrijheid om de exacte energietoestand te kiezen waarbij de elektronen in de halfgeleiderstructuur blijven. Hierdoor kan de frequentie van het uitgezonden laserlicht worden aangepast aan de betreffende toepassing.

Een frequentiekam maken met een breedband 'lasersandwich'

Met deze speciale eigenschap om de lasergolflengten zelf te kunnen bepalen, meerdere kwantumcascadestructuren met verschillende emissiefrequenties kunnen op elkaar worden gestapeld, met als doel het opwekken van breedband terahertz-straling. "Diterogene actieve zones zijn bij uitstek geschikt voor het implementeren van breedband terahertz-versterkers en het genereren van ultrakorte terahertz-pulsen, " legt Dominic Bachmann van het Photonics Institute uit. Plus, als de discrete laserlijnen aan elkaar zijn gekoppeld om een ​​vaste faserelatie tussen de lasermodi tot stand te brengen, er zal iets worden gemaakt dat bekend staat als een 'frequentiekam'. Frequentiekammen maken het mogelijk om uiterst nauwkeurige metingen te doen van de absolute frequentie van het gebruikte licht, wat essentieel is voor een groot aantal toepassingen. De ontdekking van de frequentiekam zorgde min of meer voor een revolutie in de optische metrologie en werd in 2005 bekroond met de Nobelprijs voor de natuurkunde. In de afgelopen vier jaar heeft onderzoekers hebben hard gewerkt om een ​​terahertz-frequentiekam te genereren met behulp van een kwantumcascadelaser als onderdeel van het EU-project TERACOMB. Onder leiding van Dr. Juraj Darmo van het Photonics Institute, het team van internationale onderzoeksgroepen is erin geslaagd de eerste breedband terahertz-frequentiekam te genereren op basis van halfgeleidertechnologie.

Lasers aan het werk kijken

Een methode die is ontwikkeld door de groep onder leiding van prof. Unterrainer maakt het mogelijk om interne kwantumcascadelaserparameters te analyseren tijdens laserwerking. Deze techniek is gebaseerd op tijdsopgeloste spectroscopie, met breedband terahertz-pulsen die het te meten monster binnendringen. Gebaseerd op femtoseconde lasers, deze technologie kan worden gebruikt om de volledige informatie-inhoud met betrekking tot het tijd- en frequentiebereik te verzamelen met slechts één enkele meting. Als resultaat, de wetenschappers van het Photonics Institute zijn erin geslaagd om de optische versterkingscoëfficiënten en de optische dispersie in breedband terahertz-kwantumcascadelasers te kwantificeren, het verbeteren van hun begrip van de complexe dynamiek in het spel. "Deze bevindingen stellen ons in staat om de laserbandbreedte nog verder te vergroten en de efficiëntie van frequentiekammen te verbeteren, " legt Juraj Darmo uit.

Verliezen targeten

Een onopgelost probleem met terahertz-kwantumcascadelasers was het bestaan ​​van laserlijnen met verschillende voortplantingssnelheden. Als er lasermodi zijn met een hogere laterale orde, de intensiteit is zeer ongelijk verdeeld tussen de laserlijnen, waardoor de bruikbare bandbreedte wordt verminderd en het genereren van een frequentiekam wordt voorkomen. Om te voorkomen dat deze modi oscilleren, de verliezen moeten zodanig worden vergroot dat ze de laserdrempel niet bereiken. Door een op maat gemaakte laterale absorber toe te voegen aan de randen van de laserresonator, de onderzoekers slaagden erin de hogere laterale modi volledig te onderdrukken, zonder enige relevante impact op de fundamentele modi. Het resultaat was een emissiebandbreedte van een volledig octaaf, zeer gelijkmatige modusverdeling in het midden op 700 GHz, en een frequentiekam met een bandbreedte van 440 GHz. Bovendien, de laterale absorbers maken het mogelijk om ultrakorte terahertz-pulsen te genereren met een pulsbreedte van minder dan 3 ps, wat een nieuw wereldrecord vertegenwoordigt voor terahertz-pulsen die worden gegenereerd met behulp van een kwantumcascadelaser. "Het was echt verbazingwekkend om te zien hoe een relatief kleine aanpassing aan de golfgeleider zo'n dramatische verbetering kon teweegbrengen, " legt Dominic Bachmann uit, die net klaar is met het schrijven van zijn proefschrift over breedband quantum cascade lasers.