Hamamatsu Photonics hat erfolgreich Terahertz-Wellen mit einer Wellenlänge von 450 µm erzeugt

Die Ergebnisse dieser Forschung wurden im November in der elektronischen Ausgabe der europäischen Wissenschaftszeitschrift „Nanophotonics“ veröffentlicht. Die Forschungs- und Entwicklungsarbeit wurde durch das MIC/SCOPE #195006001 unterstützt.

Was sind Terahertz-Wellen?

Terahertz (abgekürzt THz: Tera oder T ist eine Billion) ist eine Einheit der Frequenz. Terahertz-Wellen sind elektromagnetische Wellen im Bereich von 300 mm, die einer Frequenz von 1 THz entsprechen. Die kürzerwelligen Terahertz-Wellen überschneiden sich mit dem fernen Infrarotlicht und die längerwelligen Wellen überschneiden sich mit den Millimeter-Wellen. Terahertz-Wellen nehmen eine Zwischenstellung zwischen Licht- und Funkwellen ein und die Bandbreite jenseits der Wellenlängen von 300 µm mit Frequenzen unterhalb 1 THz wird der Sub-Tera-Bereich genannt. Terahertz-Wellen erscheinen vielversprechend für Anwendungen in den verschiedensten Bereichen, wie z.B. Kommunikation, chemische Analysen, industrielle und akademische Forschung; daher sind weltweit F&E-Tätigkeiten in Bezug auf Empfänger und Sender für Terahertz-Wellen in Gang. Besonders im Sub-Terahertz-Bereich bemüht man sich um die Entwicklung von optischen und elektronischen Geräten. Bislang jedoch war es sehr schwer, sowohl hochleistungsfähige als auch miniaturisierte Geräte zu entwickeln, so dass die Entwicklung verwertbarer Anwendungen im Vergleich zu anderen Wellenlängen keine zufriedenstellenden Fortschritte gemacht hatte.

Überblick über die Forschungsergebnisse

Letztes Jahr entwickelte Hamamatsu Photonics einen nichtlinearen Terahertz-Quantenkaskadenlaser (QKL *1), der ein einzigartiges nichtkreuzendes „Dual-Upper-State“-System benutzt (AnticrossDAU TM). Dieser QKL erzeugt zwei Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge im mittleren Infrarotbereich von 6 bis 11 µm aus einem Einzelhalbleiter und induziert innerhalb des Geräts einen nichtlinearen optischen Effekt (*2). Der QKL fungiert hier als kompakter Einzelhalbleiterlaser, der bei Raumtemperatur Terahertz-Wellen bis zu einer Wellenlänge von 150 µm erzeugt. Um elektromagnetische Wellen noch längerer Wellenlängen im Sub-Terahertz-Bereich zu erzeugen und auszugeben, müssen notwendigerweise zwei Lichtstrahlen mit kürzeren Wellenlängen im mittleren Infrarotbereich ausgegeben werden, was sich bislang als extrem schwer erwies, da das langwelligere Licht wahrscheinlich innerhalb des Gerätes absorbiert wurde.

Im Rahmen dieser Forschung hat Hamamatsu Photonics die Eigenschaften vieler QCLs untersucht, um den Prozess der Wellenlängenumwandlung in einem nichtlinearen Terahertz-QKL zu verstehen und dabei herausgefunden, dass die Theorie eines nichtlinearen optischen Effektes, optische Gleichrichtung genannt, angewendet werden kann, was so bislang noch nicht evaluiert wurde. Durch die Anwendung dieser Theorie des nichtlinearen optischen Effekts auf den Mechanismus der Wellenlängenumwandlung konnte das nichtkreuzende „Dual Upper State“-Design optimiert und dadurch die unerwünschte Absorption von Licht innerhalb des Gerätes unterdrückt werden, was es wiederum ermöglichte, zwei Lichtstrahlen im mittleren Infrarotbereich mit Wellenlängen bis zu 14 µm auszugeben und auch die Effizienz der Wellenlängenumwandlung zu steigern. Dadurch ist es gelungen, Terahertz-Wellen mit einer Wellenlänge von 450 µm auszugeben; das ist die weltweit längste Wellenlänge die mit einem bei Raumtemperatur betriebenem Einzelhalbleiterlaser erzeugt wurde.

Die Ergebnisse dieser Forschung werden sich in Anwendungen wie z.B. Qualitätsprüfungen, zerstörungsfreien Prüfungen zur Identifizierung von Medikamenten und Lebensmitteln durch Differenzmessung der Komponenten, die elektromagnetische Wellen im Sub-Terahertz-Bereich absorbieren, als nützlich erweisen. Da die Wellenlängen von Terahertz-Wellen kürzer sind als die der Funkwellen, die für die Kommunikation benutzt werden und sich bis zu einem gewissen Maß auch ausbreiten, können sie außerdem auch für die Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungskommunikation über kurze Distanzen wie z.B. zu Hause, in Büros oder Datencenter benutzt werden. Weiter hat Hamamatsu Photonics erfolgreich QKLs hergestellt, die Terahertz-Wellen mit Wellenlängen von 130 µm, 210 µm und 270 µm erzeugen. Aktuell erzeugt der langwelligste QKL bislang 250 µm. Dieser QKL benötigt jedoch kryogene Kühlung auf unter -200 °C. Die Ergebnisse dieser Forschung werden zur Entwicklung von Halbleiterlasern führen, die den größten Teil des Terahertz-Bereiches mit einem einzigen, bei Raumtemperatur betriebenem Gerät abdecken können.

In der Zukunft plant das japanische Unternehmen die Entwicklung von Geräten mit höheren Ausgangsleistungen durch Erhöhung der Effizienz der Ausgabe von Terahertz-Wellen. Dazu wird das Design der QKL-Struktur, aber auch die Anwendungen zur Auskopplung und das Material für das Halbleitersubstrat verbessert werden. Hamamatsu Photonics strebt auch den kontinuierlichen Wellenbetrieb (CW) an, der einen konstanten Lichtausgang einer konstanten Intensität erzeugt.

*1: Quantenkaskadenlaser (QKL): Eine Halbleiterlichtquelle, die in der Lage ist, energiereiches Licht im mittleren bis fernen Infrarot-Wellenlängenbereich mittels einer licht-emittierenden Schicht mit einer einzigartigen, von konventionellen Halbleiterlasern verschiedenen Struktur zu erzeugen.

*2: Nichtlinearer optischer Effekt: Ein Phänomen, bei dem Licht mit einer Wellenlänge erzeugt wird, die gleich der WellenlängendIfferenz zweier einfallender Lichtstrahlen ist.

Forschungshintergrund

Elektromagnetische Wellen im Terahertz-Bereich sind zwischen Licht- und Funkwellen angesiedelt und haben eine geradlinige Ausbreitungseigenschaft von Licht und eine Transmissionseigenschaft von Funkwellen und sind daher ein vielversprechendes Werkzeug in Anwendungen wie Spektrophotometrie, zerstörungsfreie Prüfungen und Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungskommunikation. Terahertz-Wellen verursachen Lichtabsorption durch Resonanz mit Kristallstrukturen und Biopolymervibrationen und können daher z.B. zur Aufnahme von Durchlichtbildern (wie Röntgenstrahlen) von Medikamenten und Lebensmitteln verwendet werden, indem die Differenz der Transmission der unterschiedlichen Inhaltsstoffe ausgewertet wird. Forschungen zu Terahertz-Wellen wurden basierend auf beiden Kategorien von optischen Geräten wie Halbleiterlaser und Festkörperlaser, aber auch elektronische Systeme wie Dioden und Transistoren durchgeführt. Bislang konnten Terahertz-Wellen jedoch noch nicht in der Praxis eingesetzt werden, da es schwierig war, kompakte, tragbare Terahertzwellen-Detektoren und -sender zu erzeugen, die bei Raumtemperatur arbeiten können. Insbesondere gibt es keine kompakten Hochleistungslichtquellen die Terahertz-Wellen im Wellenlängenbereich um 300 µm oder im Sub-Terahertz-Bereich erzeugen können. Daher gab es einen großen Bedarf für die Entwicklung solcher Lichtquellen.