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Ein Kaskadenlaser für die fliegende Sternwarte

Wer die Entstehung des Weltalls erkunden will, muss hoch hinaus – dorthin, wo kein atmosphärischer Wasserdampf mehr die Sicht auf die Galaxis vernebelt.

Ein Quantenkaskadenlaser.

Das Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie SOFIA. Bild: DLR]

GREAT-Empfänger an Bord des Flugzeug-Observatoriums SOFIA. Bild: DLR]

NASA und Deutsches Zentrum für Luft- und Raum-fahrt (DLR) haben dafür eine Boing 747 zum Stratosphären-Observatorium für Infrarotastronomie – kurz: SOFIA – umgebaut. 2011 hob der Forschungsflieger ab und blickte aus zehn Kilometer Höhe erstmals mittels eines Terahertz-Spektrometers auf M17, den Omeganebel, und noch weiter Richtung IC342, eine Spiralgalaxie im Sternbild Giraffe. Sie liegt quasi „um die Ecke“, nur wenige Millionen Lichtjahre entfernt. Hier entstehen neue Sterne. Es gilt Moleküle nachzuweisen, aus deren Wolken sich ein Stern zusammenballt. „Je nach Zusammensetzung senden diese Molekülwolken schwache Terahertzstrahlung aus und die lässt sich nachweisen“, sagt Lutz Schrottke vom Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI).

 

Deshalb ist GREAT an Bord, der German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequenzies. Er empfängt jene Strahlung, die im elektromagnetischen Spektrum zwischen Mikrowellen- und Infrarotbereich liegt. Besonders interessiert die Forscher der interstellare Sauerstoff – konkret: eine Linie im Sauerstoffspektrum, die dem Hyperfeinstrukturübergang bei 4,745 THz entspricht. Wissenschaftler im PDI entwickeln ein noch fehlendes Bauteil dafür – einen Quantenkaskadenlaser (QCL), der vom Institut für Planetenforschung des DLR in Berlin als lokaler Oszillator in GREAT integriert werden soll. Der Laser wird genau die Frequenz ausstrahlen, welche die Sauerstoffatome aussenden. Aus einer kleinen Differenz beider Signale lässt sich ableiten, ob die Moleküle sich auf die Erde zu oder von ihr weg bewegen.

 

Während normale Halbleiterlaser Licht erzeugen, wenn Elektronen des Leitungsbandes mit Löchern des Valenzbandes rekombinieren, machen die Elektronen bei Quantenkaskadenlasern energetisch eher kleine „Sprünge“ – Intersubband-Übergänge, also innerhalb des Leitungsbandes. Entsprechend anders ist auch der Aufbau des Lasers. Er besteht nicht mehr aus wenigen, sondern aus 1.000 bis 2.000 ultradünnen Schichten, jeweils Galliumarsenid und Aluminium-Galliumarsenid im Wechsel. Elektrisch angeregt fließen die Elektronen kaskadenartig durch die hauchdünnen Halbleiterschichten, über deren Dicke sich die Laserfrequenz sehr genau einstellen lässt.

 

Die Halbleiterschichten allein machen noch keinen Laser. Das Schichtsystem muss erst noch perfekt als Resonator zugeschnitten werden. An den Seiten wird so viel Material weggeätzt, bis nur ein Streifen übrig bleibt – 11 Mikrometer hoch und 100 Mikrometer breit. „Durch das Abspalten der Stirnflächen entstehen so glatte Oberflächen, dass sie wie Spiegel wirken. Das Licht ist im wenige Millimeter langen Resonator gefangen, wird immer wieder hin und her geschickt und bei jedem Durchlauf verstärkt“, erklärt Schrottke. Ein Teil des Lichts tritt am Ende aus – der Laserstrahl. Für den SOFIA-Einsatz muss der Oszillator verbindliche Anforderungen erfüllen. „Er muss durchstimmbar sein, damit er möglichst genau auf die Verschiebung der Sauerstofflinie zu justieren ist. Er soll im Dauerstrichbetrieb arbeiten und mechanisch gekühlt sein, denn flüssige Kühl-mittel dürfen im Flugzeug nicht eingesetzt werden.“

 

Terahertz-Quantenkaskadenlaser sind eine junge Erfindung und werden bisher nur gelegentlich verwendet. Aber das könnte sich bald ändern. Lässt sich durch Kombination mehrerer QCL der gesamte Terahertzbereich ab-decken, entsteht eine neue chemische Analysenmethode. Denn jedes organische Molekül hat einen charakteristischen Fingerabdruck im Terahertzbereich – sehr praktisch für schnelles Drogenscreening.

 

Wasser absorbiert Terahertzstrahlung stark. Das macht Terahertz-QCL für die medizinische Bildgebung interessant. „Weil Krebszellen mehr Wasser als gesunde Zellen enthalten, könnte der Chirurg intraoperativ unter dem Lasermikroskop rasch erkennen, ob er weit genug geschnitten hat“, erzählt Schrottke. In das Innere des Körpers kann man mit einem Terahertz-QCL zwar nicht hineinsehen – dafür ist bereits die Haut zu „wässrig“ – aber durch Kleidung hindurch! Metallische Objekte zeichnen sich am Kör-per deutlich ab. Auch Qualitätskontrollen sind denkbar. „Etwa um zu prüfen, ob die Verteilung von Haselnüssen in der Schokolade homogen ist“, sagt Schrottke schmunzelnd.

 

Text: Catarina Pietschmann, Verbundjournal 94 (2013)