Forskere bruger infrarødt lys til at opdage molekyler

Almindelige solid-state lasere, som brugt i laserpointere, generere lys i det synlige område. Til mange applikationer, imidlertid, såsom påvisning af molekyler, stråling i det mellem-infrarøde område er nødvendig. Sådanne infrarøde lasere er meget sværere at fremstille, især hvis laserstrålingen er påkrævet i form af ekstremt kort, intense pulser.

I lang tid, forskere har ledt efter simple metoder til at producere sådanne infrarøde laserimpulser - på TU Wien er dette nu blevet opnået, i samarbejde med Harvard University. Den nye teknologi kræver ikke store eksperimentelle opstillinger; den kan let miniaturiseres og er derfor særlig interessant til praktiske anvendelser. De nye resultater er nu blevet præsenteret i tidsskriftet Naturkommunikation .

Frekvenskammen

"Vi genererer laserlys i det mellem-infrarøde område med skræddersyede kvantekaskadelasere fremstillet i det ultramoderne Nano-Center på TU Wien, siger Johannes Hillbrand fra Institute of Solid State Electronics ved TU Wien, første forfatter til undersøgelsen. Mens i almindelige faststoflasere afhænger typen af ​​udsendt lys af atomerne i materialet, i kvantekaskadelasere er små strukturer i nanometerområdet afgørende. Ved at designe disse strukturer korrekt, lysets bølgelængde kan justeres præcist.

"Vores kvantekaskadelasere leverer ikke kun en enkelt farve lys, men en lang række forskellige frekvenser, " siger Ass. Prof. Benedikt Schwarz, der ledede forskningsarbejdet i sit ERC-bevillingsfinansierede projekt. "Disse frekvenser arrangeres meget regelmæssigt, altid med den samme afstand imellem, som tænderne på en kam. Derfor, sådan et spektrum kaldes en frekvenskam."

Lys er som et pendul

Imidlertid, det er ikke kun de frekvenser, der udsendes af en sådan kvantekaskadelaser, der er afgørende, men også den fase, som de respektive lysbølger svinger med. "Du kan sammenligne dette med to pendler forbundet med et gummibånd, " forklarer Johannes Hillbrand. "De kan enten svinge frem og tilbage, nøjagtigt parallelt, eller modsat hinanden, så de enten svinger mod hinanden eller væk fra hinanden. Og disse to vibrationstilstande har lidt forskellige frekvenser."

Det er ret ens med laserlys, som er sammensat af forskellige bølgelængder:Frekvenskammens individuelle lysbølger kan svinge nøjagtigt synkront - så overlejrer de hinanden på en optimal måde og kan generere korte, intense laserimpulser. Eller der kan være skift mellem deres svingninger, i hvilket tilfælde der ikke dannes impulser, men laserlys med en næsten kontinuerlig intensitet.

Lysmodulatoren

"I kvantekaskadelasere, det har tidligere været svært at skifte frem og tilbage mellem disse to varianter, " siger Johannes Hillbrand. "Men vi har indbygget en lillebitte modulator i vores kvantekaskadelaser, som lysbølgerne passerer forbi igen og igen." Der tilføres en elektrisk vekselspænding til denne modulator. Afhængig af spændingens frekvens og styrke, forskellige lysoscillationer kan exciteres i laseren.

"Hvis du kører denne modulator ved præcis den rigtige frekvens, du kan opnå, at de forskellige frekvenser i vores frekvenskam alle oscillerer nøjagtigt synkront, " siger Benedikt Schwarz. "Dette gør det muligt at kombinere disse frekvenser til korte, intense laserimpulser - mere end 12 milliarder gange i sekundet."

Dette niveau af kontrol over korte infrarøde laserimpulser var tidligere ikke muligt med halvlederlasere. Lignende typer lys kunne i bedste fald kun genereres ved hjælp af meget dyre og tabsgivende metoder. "Vores teknologi har den afgørende fordel, at den kan miniaturiseres, " understreger Benedikt Schwarz. "Man kunne bruge det til at bygge kompakte måleinstrumenter, der bruger disse specielle laserstråler til at søge efter meget specifikke molekyler i en gasprøve, for eksempel. Takket være den høje lysintensitet af laserimpulserne, målinger, der kræver to fotoner på samme tid, er også mulige.