Die Geburt eines Photons

11. Oct 2007  — Wie das Journal NATURE in seiner Ausgabe vom 11. Oktober 2007 (Band 449 Nr. 7163) berichtet, ist es ForscherInnen der Technischen Universität (TU) Wien erstmalig gelungen, den zeitlichen Verlauf der stimulierten Emission in einem Laser zu beobachten.



Wien (TU). - Die ForscherInnen am Institut für Photonik der TU Wien haben in mehr als zweijähriger Arbeit zwei verschiedene Technologien vereinigt, die es ermöglichen, die stimulierte Emission von Photonen in einem Quantum Cascade Laser direkt zu messen. Dabei handelt es sich um einen extrem schnellen und komplexen Vorgang, der von der Phase beziehungsweise dem Vorzeichen des Lichtfeldes innerhalb einer Schwingungsdauer (10-13s) entscheidend abängt.

Bei den eingesetzten Technologien handelt es sich einerseits um die Erzeugung von ultrakurzen Laserpulsen (hier ist das Photonik-Institut seit Jahren ein internationaler Spitzenreiter) und andererseits um die Entwicklung von Halbleiter-Nanostrukturen für die Generation von Terahertz-Strahlung. In Zukunft soll diese neue Technik eingesetzt werden um das dynamische Verhalten von Lasern zu verstehen und extrem schnelle Modulationen zu erreichen. Taktraten im Terahertzbereich (1 THz = 1000 GHz) scheinen erreichbar.

 

Bei der in NATURE erschienen Arbeit wurde diese zeitaufgelöste Messmethode zur Untersuchung von neuartigen Halbleiterlasern, sogenannten Quantum Cascade Lasern (QCL), eingesetzt. Quantum Cascade Laser sind Halbleiter-Nanostrukturen bei denen der Laserübergang nicht primär durch Materialeigenschaften bestimmt (und

limitiert) wird, sondern durch die präzise Nanostrukturierung von Halbleitern.

Damit können maßgeschneiderte "Potentialtöpfe" erzeugt werden, in denen die Elektronen genau die gewünschten Energieniveaus für den Laserübergang haben. Mit dem Quantum Cascade Laser kann der Spektralbereich zwischen dem Infraroten Licht und den Radio- und Mikrowellen technologisch erschlossen werden. Der praktische Anwendungsbereich der THz Photonik liegt z.B. im Imaging-Bereich (Bildgebungsverfahren etwa für medizinsche Diagnostik bzw. Materialprüfung).

 

Die Beobachtung des zeitlichen Verlaufes der stimulierten Emission liefert einen beeindruckenden Einblick in die Quantenwelt. So generiert ein Photon nicht einfach "im Vorbeiflug" ein weiteres, stimuliertes Photon. Die einfallenden Photonen wechselwirken vielmehr intensiv mit den Elektronen in der Quantenstruktur und verursachen eine Überlagerung der elektronischen Wellenfunktionen im oberen und unteren Laserniveau. Eine Überlagerung, die ähnlich einer klassischen Dipolantenne oszilliert und dabei ein neues Photon abstrahlt. Dieser theoretisch seit langem beschriebene "Geburtsprozess" eines Photons konnte nun erstmals experimentell mitverfolgt werden.

 

Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen des Sonderforschungsbereiches SFB-ADLIS "Advanced Light Sources" des FWF durchgeführt. An diesem Forschungsverbund sind neben den Gruppen des Instituts für Photonik auch das Institut für Festkörperelektronik, das Institut für Theoretische Physik sowie das Institut für Physikalische Chemie der Universität Wien und das Max-Planck-Institut für Quantenoptik in München beteiligt. Das EU-Projekt "TERANOVA" hat die Zusammenarbeit mit französischen Kollegen ermöglicht.

 

Links: www.teranova-ist.org

info.tuwien.ac.at/adlis/

 

Fotodownload: https://www.tuwien.ac.at/index.php?id=5673

 

Rückfragehinweis:

Univ.Prof. Mag. Dr. Karl Unterrainer