Vanliga halvledarlasrar, som används i laserpekare, generera ljus i det synliga området. För många applikationer, dock, som detektion av molekyler, strålning i det mellaninfraröda området behövs. Sådana infraröda lasrar är mycket svårare att tillverka, speciellt om laserstrålningen krävs i form av extremt kort, intensiva pulser.

Under en lång tid, forskare har letat efter enkla metoder för att producera sådana infraröda laserpulser - vid TU Wien har detta nu uppnåtts, i samarbete med Harvard University. Den nya tekniken kräver inga stora experimentella uppställningar; den kan lätt miniatyriseras och är därför särskilt intressant för praktiska tillämpningar. De nya resultaten har nu presenterats i tidskriften Naturkommunikation .

Frekvenskammen

"Vi genererar laserljus i det mellan-infraröda området med skräddarsydda kvantkaskadlasrar tillverkade i det ultramoderna Nano-Center vid TU Wien, säger Johannes Hillbrand från Institute of Solid State Electronics vid TU Wien, första författare till studien. Medan i vanliga halvledarlasrar beror typen av ljus som emitteras på atomerna i materialet, i kvantkaskadlasrar är små strukturer i nanometerområdet avgörande. Genom att utforma dessa strukturer på lämpligt sätt, ljusets våglängd kan justeras exakt.

"Våra kvantkaskadlasrar levererar inte bara en enda färg av ljus, men en hel rad olika frekvenser, " säger Ass. Prof. Benedikt Schwarz, som ledde forskningsarbetet i sitt ERC-anslagsfinansierade projekt. "Dessa frekvenser arrangeras mycket regelbundet, alltid med samma avstånd emellan, som tänderna på en kam. Därför, ett sådant spektrum kallas en frekvenskam."

Ljus är som en pendel

Dock, det är inte bara frekvenserna som emitteras av en sådan kvantkaskadlaser som är avgörande, men också den fas med vilken respektive ljusvågor svänger. "Du kan jämföra detta med två pendlar förbundna med ett gummiband, " förklarar Johannes Hillbrand. "De kan antingen svänga fram och tillbaka, exakt parallellt, eller mitt emot varandra, så att de antingen svänger mot varandra eller bort från varandra. Och dessa två vibrationslägen har lite olika frekvenser."

Det är ganska lika med laserljus, som är sammansatt av olika våglängder:Frekvenskammens individuella ljusvågor kan svänga exakt synkroniserat — då överlagrar de varandra på ett optimalt sätt och kan generera korta, intensiva laserpulser. Eller så kan det ske skift mellan deras svängningar, i vilket fall inga pulser skapas, men laserljus med nästan kontinuerlig intensitet.

Ljusmodulatorn

"I kvantkaskadlasrar, det har tidigare varit svårt att växla fram och tillbaka mellan dessa två varianter, " säger Johannes Hillbrand. "Men, vi har byggt in en liten modulator i vår kvantkaskadlaser, som ljusvågorna passerar förbi gång på gång." En elektrisk växelspänning appliceras på denna modulator. Beroende på spänningens frekvens och styrka, olika ljusoscillationer kan exciteras i lasern.

"Om du kör den här modulatorn med exakt rätt frekvens, du kan uppnå att de olika frekvenserna i vår frekvenskam alla oscillerar exakt i synk, " säger Benedikt Schwarz. "Detta gör det möjligt att kombinera dessa frekvenser till korta, intensiva laserpulser - mer än 12 miljarder gånger per sekund."

Denna nivå av kontroll över korta infraröda laserpulser var tidigare inte möjlig med halvledarlasrar. Liknande typer av ljus skulle i bästa fall bara kunna genereras med mycket dyra och förlustbringande metoder. "Vår teknik har den avgörande fördelen att den kan miniatyriseras, " betonar Benedikt Schwarz. "Man skulle kunna använda den för att bygga kompakta mätinstrument som använder dessa speciella laserstrålar för att söka efter mycket specifika molekyler i ett gasprov, till exempel. Tack vare den höga ljusintensiteten hos laserpulserna, mätningar som kräver två fotoner samtidigt är också möjliga.