Gewone vastestoflasers, zoals gebruikt in laserpointers, licht genereren in het zichtbare bereik. Voor veel toepassingen, echter, zoals de detectie van moleculen, straling in het midden-infraroodbereik nodig is. Dergelijke infraroodlasers zijn veel moeilijker te vervaardigen, vooral als de laserstraling nodig is in de vorm van extreem korte, intense pulsen.

Voor een lange tijd, wetenschappers hebben gezocht naar eenvoudige methoden om dergelijke infraroodlaserpulsen te produceren - aan de TU Wien is dit nu bereikt, in samenwerking met de Harvard-universiteit. De nieuwe technologie vereist geen grote experimentele opstellingen; het kan gemakkelijk worden geminiaturiseerd en is daarom bijzonder interessant voor praktische toepassingen. De nieuwe resultaten zijn nu gepresenteerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

De frequentiekam

"We genereren laserlicht in het midden-infraroodbereik met op maat gemaakte kwantumcascadelasers vervaardigd in het ultramoderne Nano-Center van TU Wien, " zegt Johannes Hillbrand van het Institute of Solid State Electronics aan de TU Wenen, eerste auteur van de studie. Terwijl in gewone vastestoflasers het type licht dat wordt uitgestraald afhangt van de atomen in het materiaal, in kwantumcascadelasers zijn minuscule structuren in het nanometerbereik cruciaal. Door deze constructies op de juiste manier te ontwerpen, de golflengte van het licht kan nauwkeurig worden aangepast.

"Onze kwantumcascadelasers leveren niet alleen een enkele kleur licht, maar een hele reeks verschillende frequenties, " zegt Ass.Prof. Benedikt Schwarz, die het onderzoekswerk leidde in zijn door de ERC-beurs gefinancierde project. "Deze frequenties zijn zeer regelmatig gerangschikt, altijd met dezelfde afstand ertussen, als de tanden van een kam. Daarom, zo'n spectrum wordt een frequentiekam genoemd."

Licht is als een slinger

Echter, niet alleen de frequenties die door zo'n kwantumcascadelaser worden uitgezonden, zijn bepalend, maar ook de fase waarmee de respectieve lichtgolven oscilleren. "Je kunt dit vergelijken met twee slingers verbonden door een rubberen band, " legt Johannes Hillbrand uit. "Ze kunnen heen en weer zwaaien, precies parallel, of tegenover elkaar, zodat ze naar elkaar toe of van elkaar af zwaaien. En deze twee vibratiemodi hebben iets verschillende frequenties."

Het is vrij gelijkaardig met laserlicht, die is samengesteld uit verschillende golflengten:de individuele lichtgolven van de frequentiekam kunnen precies synchroon oscilleren - dan overlappen ze elkaar op een optimale manier en kunnen ze korte, intense laserpulsen. Of er kan een verschuiving zijn tussen hun oscillaties, in welk geval er geen pulsen worden gegenereerd, maar laserlicht met een bijna continue intensiteit.

De lichtmodulator

"In kwantumcascadelasers, het was voorheen moeilijk om heen en weer te schakelen tussen deze twee varianten, ", zegt Johannes Hillbrand. "Echter, we hebben een kleine modulator ingebouwd in onze kwantumcascadelaser, waaraan de lichtgolven steeds weer voorbij komen.” Op deze modulator staat een elektrische wisselspanning. Afhankelijk van de frequentie en sterkte van de spanning, in de laser kunnen verschillende lichtoscillaties worden opgewekt.

"Als je deze modulator precies op de juiste frequentie aanstuurt, je kunt bereiken dat de verschillende frequenties van onze frequentiekam allemaal precies synchroon oscilleren, ", zegt Benedikt Schwarz. "Dit maakt het mogelijk om deze frequenties te combineren tot korte, intense laserpulsen - meer dan 12 miljard keer per seconde."

Dit niveau van controle over korte infrarood laserpulsen was voorheen niet mogelijk met halfgeleiderlasers. Vergelijkbare soorten licht kunnen op zijn best alleen worden gegenereerd met behulp van zeer dure en verliesgevende methoden. "Onze technologie heeft het beslissende voordeel dat ze kan worden geminiaturiseerd, " benadrukt Benedikt Schwarz. "Je zou het kunnen gebruiken om compacte meetinstrumenten te bouwen die deze speciale laserstralen gebruiken om naar zeer specifieke moleculen in een gasmonster te zoeken, bijvoorbeeld. Dankzij de hoge lichtintensiteit van de laserpulsen, metingen waarbij twee fotonen tegelijk nodig zijn, zijn ook mogelijk.