Ein Forschungsteam von TU Wien und Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) haben einen kompakten Laser entwickelt, der extrem helle, kurze Lichtimpulse produziert – und zwar in einem sehr nützlichen, aber besonders schwer zu erreichenden Wellenlängenbereich. Auf einem einzigen Chip wird eine Leistung erzielt, die sonst nur durch größere photonische Bauelemente erreicht werden kann.

Die Forschungsarbeit wurde nun im Fachjournal Nature veröffentlicht. Sie ist die erste Demonstration eines On-Chip-Picosekunden-Laserimpulsgenerators im mittleren Infrarotbereich, der für seinen Betrieb keine externen Komponenten benötigt. Das Gerät kann einen sogenannten optischen Frequenzkamm erzeugen, ein Lichtspektrum, das aus Frequenzlinien besteht, die in immer gleichen Abstand angeordnet sind – wie die Zähne eines Kamms. Solche Frequenzkämme spielen heute in der Präzisionsmesstechnik eine wichtige Rolle. Der neue Laserchip könnte eines Tages die Entwicklung hochempfindlicher Breitband-Gassensoren für die Umweltüberwachung oder neuer Arten von Spektroskopie-Werkzeugen für die medizinische Bildgebung beschleunigen. Produziert wurde dieser Chip mit Hilfe von Quantenkaskadenlasern des Zentrums für Mikro- und Nanostrukturen (ZMNS) der TU Wien.

Ultrakurze Pulse mit Quantenkaskadenlasern

„Das ist eine spannende neue Technologie, die nichtlineare Photonik nutzt, um ultrakurze Lichtimpulse im mittleren Infrarotbereich zu erzeugen; so etwas gab es bisher noch nicht“, sagt Federico Capasso von der Universität Harvard. “Darüber hinaus können solche Geräte mit Hilfe von Standard-Halbleiterfertigungstechniken in industriellen Laserfabriken problemlos hergestellt werden.“

Grundlegend für diese neue Errungenschaft der Nanophotonik sind Quantenkaskadenlaser. Dabei handelt es sich um Nanostrukturen, die je nach ihren geometrischen Eigenschaften ganz bestimmtes Licht aussenden können – man kann daher sehr präzise steuern, welche Wellenlängen der Laser emittieren soll.

Allerdings galt es bisher als extrem schwer, mit solchen Quantenkaskadenlasern kurze Pulse zu erzeugen. Bestehende Impulsgeneratoren im mittleren Infrarotbereich, die auf Quantenkaskadenlasern basieren, erfordern in der Regel komplexe Aufbauten, um eine gepulste Emission zu erzielen. Außerdem sind sie in der Regel auf eine bestimmte Ausgangsleistung und spektrale Bandbreite beschränkt. 

Perfekt für chemische Analysen

Der mittlere Infrarotbereich ist ein unsichtbarer Teil des elektromagnetischen Spektrums, der heute in Umweltanwendungen genutzt wird. Da viele Gasmoleküle wie Kohlendioxid und Methan Licht im mittleren Infrarotbereich effizient absorbieren, ist dieser Wellenlängenbereich ein wichtiges Werkzeug für die Überwachung von Umweltgasen, insbesondere mit der Quantenkaskadenlasertechnologie.

Die Veröffentlichung zeigt einen Weg zur Erzeugung einer breitbandigen Lichtquelle auf, mit der beispielsweise viele verschiedene Absorptionsfingerabdrücke von Gasen in einem einzigen Gerät erkannt werden könnten.

Originalpublikation

D. Kazakov et al., Driven bright solitons on a mid-infrared laser chip, Nature 641, 83–89 (2025), öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Rückfragehinweis:

Prof. Benedikt Schwarz
Institut für Festkörperelektronik
Technische Universität Wien
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benedikt.schwarz@tuwien.ac.at