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Mobiler Laser für Terahertz-Beobachtungen
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung des Forschungsverbundes Berlin e.V.
astronews.com
31. Mai 2010
Berliner Planetenwissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und
Raumfahrt (DLR) und Halbleiterspezialisten des Paul-Drude-Institut für
Festkörperelektronik (PDI) haben gemeinsam ein leichtes Lasersystem für
Terahertz-Strahlung entwickelt. Es ist so kompakt, dass es auch in einem
Forschungsflugzeug zur Messung von kosmischer Strahlung zum Einsatz kommen
kann.
Ein vorgesehener Einsatzort für das neue
Lasersystem ist das fliegende Observatorium
SOFIA.
Foto: NASA/C. Thomas |
Um den Kosmos zu erforschen, bedienen sich Wissenschaftler
modernster spektroskopischer Verfahren. Sie können damit kleinste
Teilchen und Moleküle im All identifizieren und so Aussagen über die
Entstehung und das Vergehen von Sternen und Planeten treffen. Viele
dieser Moleküle senden Strahlung im Terahertzbereich aus, das ist der
Frequenzbereich zwischen Mikrowellen und Infrarotstrahlung, also
zwischen 0,3 und 10 Terahertz.
Insbesondere höhere Frequenzen, etwa die von 4,7 Terahertz,
interessieren die Forscher, da hier einzigartige Informationen gewonnen
werden können. "Diese Frequenzen können nicht vom Erdboden aus gemessen
werden, da die Atmosphäre sie absorbiert. Daher müssen wir mit einem
Astronomieflugzeug aufsteigen", sagt Prof. Heinz-Wilhelm Hübers vom
DLR-Institut für Planetenforschung. Die DLR-Wissenschaftler haben
deshalb gemeinsam mit Forschern des PDI ein kompaktes Lasersystem
entwickelt, welches Frequenzen im oberen Terahertzbereich aussendet und
somit Untersuchungen in diesem Wellenlängenbereichen möglich machen
kann.
Herzstück des Systems ist ein nur wenige Millimeter großer
Quantenkaskadenlaser aus dem PDI, der eine besonders niedrige
Betriebsspannung und eine geringe Schwellstromdichte aufweist, so dass
die verwendete elektrische Leistung vergleichbar klein ist. Dies ist
wichtig, weil die Quantenkaskadenlaser beim Betrieb warm werden. "Ziel
ist es, solche Lasersysteme bei Temperaturen oberhalb von flüssigem
Stickstoff, also 77 Kelvin, im Dauerstrichbetrieb zu betreiben", sagt
Prof. Holger Grahn vom PDI.
In dem kompakten Terahertz-Lasersystem kann der Quantenkaskadenlaser bei
Temperaturen zwischen 35 und 80 Kelvin mit einem mechanischen Kühler
betrieben werden. "Dies ist eine wesentliche Voraussetzung, um das
System im Flugzeug mitzunehmen", erläutert Hübers. Denn bislang müssen
ähnliche Laser mit flüssigem Helium also auf vier Kelvin gekühlt werden,
oder sie benötigen große Kühlmaschinen, die einen hohen Energieverbrauch
haben. Solche Systeme sind für den Einsatz im Flugzeug nicht geeignet.
Dagegen hat das neue Lasersystem eine Leistungsaufnahme von nur 240 Watt
und ist mit 15 Kilogramm ein Leichtgewicht unter den Terahertz-Lasersystemen.
"Es ist uns gelungen, das System so zu optimieren, dass es mobil
eingesetzt werden kann", so Hübers. Auf der Basis des Prototypen soll
jetzt ein Lasersystem für den Einsatz auf dem Astronomieflugzeug SOFIA
entwickelt werden. Das fliegende Observatorium hatte in der letzten
Woche seine ersten wissenschaftlichen Beobachtungen gemacht
(astronews.com berichtete).
Aber auch für andere Anwendungen, etwa die
Spektroskopie von Sprengstoffen an Flughäfen oder die Detektion von
Umweltgiften, kommt das System nach Ansicht von kommt das System nach Ansicht von Hübers in Frage. Die Forscher wollen es deshalb so weiterentwickeln, dass es für kommerzielle Anwendungen attraktiv ist.
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