Der Laserstrahl nach Maß dringt durch Wasserdampf, Regen und Schnee: Infrarotes Laserlicht mit einer Wellenlänge von etwa neun Mikrometern könnte Telefonate künftig überirdisch in unsere Haushalte übertragen. Die notwendige Basistechnologie steht seit kurzem zur Verfügung: Der schon 1994 entwickelte Quantenkaskaden-Laser (QCL) wurde im Jahr 2001 so verbessert, dass er bis zu einer Umgebungstemperatur von 39 Grad Celsius betriebsfähig bleibt. Seine Vorgänger müssen noch mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden.

Für die wissenschaftlichen Beiträge zur Entwicklung sowohl des ersten QCL als auch seiner fortgeschrittenen Variante erhielt Jérôme Faist, Professor an der Universität Neuchâtel, nun den Nationalen Latsis-Preis 2002. Dieser ist mit 100000 Schweizer Franken dotiert und wird jährlich vom "Schweizerischen Nationalfonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung" im Auftrag der Genfer Latsis-Stiftung verliehen.

Die physikalischen Vorgänge in einem QCL gleichen einem "elektronischen Wasserfall": Elektronen, die in dünnen Halbleiterschichten eingesperrt sind, nehmen Energie durch eine angelegte Spannung auf. Diese Energie geben sie in Form von Lichtquanten stufenweise, in "Kaskaden", wieder ab. Die Höhe der Energiestufen hängt von der Dicke der Halbleiterschichten ab und bestimmt die Wellenlänge des Laserlichts. Durch Veränderung der Schichtdicke kann die Wellenlänge – im mittleren Infrarot-Bereich zwischen drei und zwanzig Mikrometern – fein abgestimmt und so für verschiedenste Anwendungen optimiert werden. Bei bisherigen Lasertypen hängt die Wellenlänge von der chemischen Zusammensetzung ab.

Dank der neueren Forschungen der Arbeitsgruppe um Jérôme Faist lässt sich die Quantenkaskade mittlerweile auch bei Raumtemperatur lostreten. Dieser Fortschritt ist unter anderem der Molekularstrahl-Epitaxie zu verdanken, einem Verfahren, das sehr feine Halbleiterstrukturen erzeugt – im Extremfall nur eine Atomschicht dick.

Für Quantenkaskaden-Laser gibt es zahlreiche Einsatzmöglichkeiten: Neben ihrer möglichen Anwendung in der Telekommunikation verbessern sie vor allem die Analyse von molekularen Gasen und Flüssigkeiten. Diese zeigen im mittleren Infrarot häufig charakteristische Absorptionslinien, die sich mit Hilfe eines QCL präzise bestimmen lassen. Die Messempfindlichkeit ist dabei um mehrere Größenordnungen höher als die, die sich mit Laserquellen für nahes Infrarot erreichen lassen. Entfällt nun zusätzlich die Notwendigkeit der Kühlung, empfehlen sich die neuartigen Laser für viele Bereiche der Industrieproduktion, der Medizin und der Umwelttechnik.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 12 / 2002, Seite 98
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