Robert Huber und Christian Jirauschek im Laser-Labor
Robert Huber, Christian Jirauschek/Bild: TUM
  • Forschung

Laser mit Regenbogenfarben-Speicher erschliesst neue EinsatzgebieteAuf dem Weg zu kompakten und stabilen Quellen für ultrakurze Laserpulse

Dass man nicht alles haben kann, ist eine grundlegende Erkenntnis und gilt auch für Bereiche wie Technik und Wissenschaft. Laserforscher in München scheinen indess eine Ausnahme von dieser Regel gefunden zu haben. Sie zeigten, dass sich durch ultrakurze hochenergetische Lichtpulse aus kompakten, kostengünstigen, hocheffizienten und langlebigen Lasern die gewünschten Eigenschaften für bestimmte Anwendungen in der biomedizinischen Bildgebung, der Materialverarbeitung und Kommunikationstechnik erreichen lassen, ohne dabei schwerwiegende Kompromisse eingehen zu müssen. Diese Forschungsarbeiten entstanden in enger Zusammenarbeit zwischen Mitarbeitern der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik an der Technischen Universität München (TUM) und der Fakultät für Physik an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München.

In ihrer jüngsten Veröffentlichung in der Zeitschrift Nature Communications beschreiben die Forscher Experimente, in denen kostengünstige robuste Halbleiterlaser hochenergetische Lichtpulse mit einer Pulsdauer von nur 60 Pikosekunden (dem billionsten Teil einer Sekunde) abgeben können.. Dabei entfallen die Nachteile früherer Ansätze im Hinblick auf den Energieverbrauch und die Gerätegröße. Zudem präsentieren sie auch theoretische Ergebnisse, die darauf deuten, dass mit dieser Technik auch die nächste Hürde genommen werden kann: noch kürzere Laserpulse im Subpikosekundenbereich.

„Mit unseren Modellen und Simulationen konnten wir Veränderungen des Versuchsaufbaus erarbeiten, die eine nochmalige tausendfache Verbesserung der Leistungsfähigkeit bewirken und Pulse von weniger als 30 Femtosekunden ermöglichen könnten“, sagt Dr. Christian Jirauschek von der TUM.

Kontinuierliche Wellen werden zu kurzen Pulsen

Die Münchner Forscher setzen in ihren Arbeiten einen relativ neuen Laser in einer völlig neuartigen Konfiguration ein. Dr. Robert Huber, Leiter der Arbeitsgruppe an der LMU, ist Miterfinder dieses sogenannten FDML (Fourier-Domänen-modengekoppelte)-Lasers. Der FDML-Laser emittiert hier nicht, wie sonst üblich, Licht in einer bestimmten Farbe. Stattdessen durchläuft der Laser immer wieder in großer Geschwindigkeit ein Spektrum verschiedener Wellenlängen. Ziel dieses Experiments ist, den kontinuierlich abgegebenen Lichtstrahl des FDML-Lasers in kurze intensive Pulse umzuwandeln.

„Der Vorteil dieses Versuchsaufbaus liegt darin“, erklärt Huber, „dass die gesamte Energie jedes Frequenzdurchlaufs des FDML-Lasers direkt als Lichtfeld – aufgefächert in einem Spektrum von Frequenzen wie Regenbogenfarben im Infrarotbereich – in einer kilometerlangen Glasfaser im Inneren des Resonators optisch gespeichert wird.” Das ist deutlich effektiver, als die Energie in der Halbleiterstruktur der Laserquelle zu speichern. Die verschiedenen Wellenlängen bewegen sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und treten zu verschiedenen Zeitpunkten in eine zweite Glasfaser außerhalb des Lasers ein. Diese ist so ausgelegt, dass die unterschiedlichen Eintrittszeiten genau durch die unterschiedlichen Geschwindigkeiten kompensiert werden: Alle Farben treten gleichzeitig aus der zweiten Glasfaser aus und bilden so einen kurzen Laserpuls. Auf diese Weise lässt sich der hohe Energie-Output erhalten und gleichzeitig die Impulsdauer verkürzen – ohne dabei den Energieverbrauch zu erhöhen oder größere Aufbauten einzusetzen.

Diese Forschungsarbeiten wurden unterstützt durch das Emmy Noether-Programm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) - HU 1006/2-1, JI 115/1-1, durch das DFG-Projekt JI 115/2-1 und durch die Europäische Union im Rahmen von FUN OCT (FP7 HEALTH, Kontraktnummer 201880) und das Projekt FDML-Raman (ERC Kontrakt 259158).

Originalpublikation
Picosecond pulses from wavelength-swept continuous-wave Fourier domain mode-locked lasers. Christoph M. Eigenwillig, Wolfgang Wieser, Sebastian Todor, Benjamin R. Biedermann, Thomas Klein, Christian Jirauschek, and Robert Huber. Nature Communications 4, Article number 1848, 14 May 2013. DOI: 10.1038/ncomms2870

Kontakt

Christian Jirauschek
Institut für Nanoelektronik
Technische Universität München
Arcisstrasse 21
80333 Muenchen, Germany
T:  +49 89 289 25300
E:  jirauschek@tum.de
W: http://www.nano.ei.tum.de

Robert Huber
Institut für Biomoleculare Optik
Ludwig-Maximilians-Universität
Oettingenstr. 67
80538 Muenchen, Germany
T:  +49 89 2180 9235
E:  robert.huber@physik.uni-muenchen.de
W: http://www.bmo.physik.uni-muenchen.de/~z19/

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