Femtosekundenpulse im mittleren Infrarot aus einem Quantenkaskadenlaser

Laser, die Licht nicht als kontinuierliches Licht ausstrahlen, sondern in extrem kurzen Blitzen – typischerweise mit einer Länge von Pikosekunden (10^–12 s) oder kürzer – haben verschiedenste Bereiche der Wissenschaft und Technologie verändert, von der Untersuchung atomarer und molekularer Prozesse auf «ultraschnellen» Zeitskalen bis hin zu der präzisen Abgabe hochkonzentrierter Energiemengen für die Materialbearbeitung und Augenchirurgie. Heutzutage existieren vielseitige Lasersysteme für viele solcher Anwendungen im sichtbaren bis nahen Infrarotbereich. Im Gegensatz dazu sind Geräte bei niedrigeren Frequenzen oft durch relativ lange Pulsdauern und niedrige Spitzenleistungen eingeschränkt und erfordern eine komplexe, sperrige Instrumentierung. Dies könnte sich nun durch neue Forschungsresultate aus der Gruppe von Prof. Jérôme Faist am Institut für Quantenelektronik ändern. Sie berichten in der Fachzeitschrift Nature Photonics, wie sie erstmalig leistungsstarke Femtosekundenpulse (10^–15 s) im mittleren Infrarot erzeugt haben. Dies ist ein Frequenzband von grossem praktischem Interesse, da eine breite Palette von Molekülen bei diesen Frequenzen sich dehnen, vibrieren oder rotieren – weshalb das Band auch als «Region der molekularen Fingerabdrücke» bekannt ist.

Der Anwendungsbereich der Quantenkaskadenlaser erweitert

In seinen Experimenten verwendete das ETH-Team Quantenkaskadenlaser (QCLs), eine Art von Laser, die erstmals 1994 von einem Team um Faist an den Bell Laboratories in den USA realisiert wurde. QCLs haben seither eine Vielzahl grundlegender Studien und praktischer Anwendungen ermöglicht, insbesondere im mittleren Infrarotbereich (25–100 THz). Ultrakurze Pulse gehören jedoch bisher nicht zum Werkzeugkasten von QCLs. Dies war eine wichtige Lücke, da QCLs direkt Strahlung im mittleren Infrarot erzeugen. Das heisst, sie müssen nicht wie andere Arten von Lichtquellen im mittleren Infrarot Licht von höheren zu niedrigeren Frequenzen umwandeln, was typischerweise ein ineffizienter Prozess ist, der die erreichbaren Leistungspegel einschränkt.

Der Engpass bei der Erzeugung ultraschneller Pulse mit QCLs besteht darin, dass die schnelle Dynamik des aktiven Mediums innerhalb der Kavität – wo der Laserpuls gebildet wird – den Aufbau von Pulsen mit hoher Leistung verhindert. Es gibt Möglichkeiten, diese Einschränkung zu umgehen, aber Pulse, die von QCLs im mittleren Infrarotbereich erzeugt werden, waren bisher auf Pikosekundenlänge und eine Leistung im Sub-Watt-Bereich beschränkt, was ihre Anwendbarkeit einschränkt. Nun haben der Doktorand Philipp Täschler und seine Kollegen in der Faist-Gruppe mehrere Techniken geschickt kombiniert. Darüber hinaus nutzten sie neuere experimentelle und theoretische Erkenntnisse zum Phasenverhalten von Pulsfolgen, die von QCLs emittiert werden, sogenannten Frequenzkämmen. Unter Berücksichtigung dieser neuen Erkenntnisse haben sie erkannt, dass etablierte Methoden zur Kompression von Pulsen ausserhalb der Kavität für das vorliegende Problem eingesetzt werden können. Diese Manipulationen ausserhalb der Kavität erwiesen sich als der Schlüssel zur Erzeugung leistungsstarker ultrakurzer Pulse im mittleren Infrarot.

Kürzer und stärker

Täschler et al. haben sich in ihrer Arbeit nicht nur der Erzeugung extrem kurzer Laserpulse zugewandt. Sie entwickelten auch ein neues optisches Abtastverfahren zur Charakterisierung dieser Lichtblitze, um sich zu vergewissern, dass es ihnen tatsächlich gelungen ist, Pulse im mittleren Infrarot in ein neues Regime zu bringen. Und genau das haben sie getan. Das Team produzierte Pulse mit einer Länge von nur 630 Femtosekunden – um einen Faktor fünf kürzer als der Stand der Technik – und mit einer Spitzenleistung von 4,5 Watt, was ungefähr um einen Faktor zehn höher ist als das, was bisher erreicht wurde. Diese Pulslängen liegen nahe der unteren Grenze dessen, was für die gegebene optische Bandbreite grundsätzlich möglich ist. Für Quellen mit grösserer Bandbreite erwarten sie jedoch, dass 300-Femtosekunden-Pulse in Reichweite sind. Ebenso könnten weitere Verbesserungen die Spitzenleistung auf einige 100 Watt drücken. Dies erhöht die Perspektive für eine direkte und leistungsstarke Quelle, die das gesamte mittlere Infrarotspektrum abdeckt.

Das sind brillante Aussichten, zumal QCLs kompakte Lichtquellen sind, die auf Chips integriert werden können. Daher verspricht die Arbeit von Täschler und seinen Kolleginnen und Kollegen, praktikable Wege zu eröffnen für den Zugang zu ultraschneller Dynamik quer durch die Region molekularer Fingerabdrücke. Auch sollten die hohen Spitzenleistungen eine neue Klasse von Experimenten ermöglichen, die nichtlineare Effekte ausnutzen, was wiederum zu neuen Möglichkeiten bei Präzisionsmessungen führen könnte.