Mikro-integrierter Terahertz Quantenkaskadenlaser für die höchstauflösende Spektroskopie (Micro-QCL)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Klaus Biermann, Ph.D., seit 5/2024; Professor Dr. Heinz-Wilhelm Hübers; Dr. Katrin Paschke
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 468535812

Quantenkaskadenlaser sind vielversprechende Strahlungsquellen für die hochauflösende Spektroskopie im Terahertz- (THz)-Spektralbereich, da sie eine schmale Linienbreite im Bereich von unter einem MHz bis hin zu wenigen kHz haben. Die beiden wichtigsten Anwendungsbereiche sind als Lokaloszillator in einem Heterodynspektrometer und in der Laser-Absorptionsspektroskopie. Neben der geringen Linienbreite sind die für den THz-Bereich relativ hohe Ausgangsleistung im Dauerstrich-Betrieb und die Frequenzabstimmbarkeit weitere wichtige Eigenschaften dieses Lasertyps. Das übergeordnete Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines mikro-integrierten THz-Quantenkaskadenlasers für die höchstauflösende Spektroskopie und für zukünftige Weltraumanwendungen. Die beiden Zielfrequenzen sind 3,5 THz und 4,7 THz. Diese Frequenzen entsprechen Strahlungsübergängen im Hydroxyl-Radikal (OH) und in atomarem Sauerstoff (O). Beides sind wichtige Spezies, die in astronomischen Objekten und in der Erdatmosphäre vorkommen. Das Projektziel soll erreicht werden, indem der Quantenkaskadenlaser mit den wichtigsten optischen Elementen in einem mikro-optischen Aufbau, der nicht größer als eine Streichholzschachtel ist, integriert wird. Dieser Aufbau umfasst neben dem Laser einen optischen Isolator, optische Elemente zur Strahlformung und eine Glasfasereinkopplung zur Laser-induzierten Frequenzabstimmung des Lasers. Darüber hinaus wird das aktive Medium des Quantenkaskadenlasers mit dem Ziel höherer Ausgangsleistung und höherer Betriebstemperatur optimiert. Der mikro-integrierte Laser soll eine Dauerstrich-Ausgangleistung von 1 mW bei einer Betriebstemperatur von 80 K haben und ein Gauss-förmiges Strahlprofil aufweisen. Er wird in einem kompakten mechanischen Kryokühler betrieben werden, und seine Leistungsfähigkeit wird mittels höchstauflösender Lamb-Dip Spektroskopie demonstriert. Heterodynspektrometer mit einem Quantenkaskadenlaser sind für zukünftige Weltraummissionen der NASA und der ESA von großer Bedeutung. Allerdings haben die Quantenkaskadenlaser nicht den dafür notwendigen technologischen Reifegrad. Das hier vorgeschlagene Projekt ist ein wichtiger Schritt, um diese Lücke zu schließen und zukünftige Weltraummission zu ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2314: Integrierte Terahertz-Systeme mit neuartiger Funktionalität (INTEREST)
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Lutz Schrottke, bis 5/2024