Bleisalz-Mikroresonatorlaser für das mittlere Infrarot

Im Rahmen dieses Projektes werden Halbleiterlaser entwickelt, die im Spektralbereich des mittleren Infraroten kohärentes Licht erzeugen. Innerhalb des Spektralbereiches des mittleren Infraroten liegt der sogenannte "Fingerprintbereich" vieler Moleküle. Deshalb sind Lichtquellen und Detektoren für diesen Spektralbereich wichtige Bauteile für die Realisierung von Nachweissystemen für Schadstoffe in der Luft sowie für die Spurengasanalyse. Halbleiterlaser für diesen Spektralbereich basieren üblicherweise auf Bleisalzen. Bleisalzlaser sind kommerziell erhältlich, diese weisen allerdings einige Nachteile auf, wie z. B. eine große Strahldivergenz oder ein unsymmetrisches Profil des Strahles. Diese Nachteile ergeben sich aufgrund der Tatsache, daß diese Bauteile das Laserlicht über die Bruchkanten der Bauteile abgeben. Laserstrahlen mit besseren Eigenschaften werden üblicherweise erzielt, wenn die Laser dazu gezwungen werden in vertikale Richtung abzustrahlen. Dies ist bei Mikroresonator-Lasern, so wie die im Rahmen dieses Projektes entwickelten, der Fall. Unsere Mikroresonator Laser werden bei Raumtemperatur monochromatisches Licht mit Wellenlängen zwischen 3 000 nm und 5 000 nm erzeugen. Deshalb können sie zur Detektion von C-H Streckschwingungen verwendet werden. Diese C-H Streckschwingugen finden sich nicht nur in vielen organischen Verbindungen wieder, sondern sie spielen auch in verschiedenen dünnen Filmen von technologischer Relevanz eine große Rolle. Deshalb können die von uns entwickelten Bauteile zur Kontrolle der Abscheidung von Werkzeugbeschichtungen genauso verwendet werden wie zur Kontrolle des Wachstums verschiedener Halbleiterschichten. Wir verwenden verschiedene Konzepte für die Entwicklung der Bleisalzlaser für das mittler Infrarot. Einerseits werden kommerziell erhältliche III-V Laserdioden verwendet werden, um unsere Bauteile optisch zu pumpen. In diesem Fall dienen unsere Bauteile dazu, das Licht das im Pumplaser erzeugt wird in Licht mit längeren Wellenlängen zu transformieren. Andererseits werden die Bauteile aber auch einfach elektrisch gepumpt, wobei die mit-infrarot Strahlung direkt im Bauteil erzeugt wird. Als laseraktives Material werden einerseits epitaktisch gewachsene Bleizalzschichten verwendet. Alternativ dazu, werden aber auch Schichten verwendet, die auf nasschemische weise hergestellt werden. Diese Schichten enthalten Nanokristalle die beim Erhitzen verschiedener Lösungen entstehen. Letztendlich werden auch verschiedene Geometrien der Laserbauteile untersucht, die unter anderem durch Mikrostrukturierung der gewachsenen Filme entstehen. Diese so hergestellten Mikrostadien oder Mikroturm-Resonatoren sollen es erlauben Lasertätigkeit bereits bei geringen Pumpleistungen zu erzeugen.

In diesem FWF Projekt wurden vertikal emittierende Halbleiterlaser mit Emissions-Wellenlängen im Infrarotspektralbereich entwickelt. In diesem Spektralbereich befinden sich alle wichtigsten charakteristischen Absorptionslinien von gasförmigen Molekülen, weshalb Infrarotlaser von großer Bedeutung für Anwendungen wie Spurengasanalyse, Umweltüberwachung, medizinische Diagnostik sind. Die in diesem Projekt entwickelten Laser wurden aus Verbindungshalbleitern der Gruppe IV und VI des Periodensystems hergestellt da diese auf Grund ihrer optischen und elektronischen Eigenschaften besonders für Infrarot-Bauelemente geeignet sind. Die Laserstrukturen selbst bestehen aus hochreflektierenden Interferenzspiegeln die monolithisch mit der aktiven Laserstruktur integriert sind. Insgesamt bestehen die Laser aus mehreren hundert Einzelschichten die mittels Molekularstrahlepitaxie übereinandergewachsen werden. Die speziellen Eigenschaften dieser Laser ist, dass das Licht senkrecht aus der Chipoberfläche abgestrahlt wird und einen kreisförmigen Lichtquerschnitt aufweist mit extrem kleiner Strahldivergenz. In dem Projekt wurden erstmalig vertikal emittierende Laser mit Emissionswellenlängen von bis zu acht Mikrometern realisiert, sowie Laser mit den höchsten Betriebstemperaturen und schmalsten Linienbreiten hergestellt. Die Laser besitzen eine beträchtliche Durchstimmbarkeit der Laserwellenlänge was besonders für spektroskopische Anwendungen wichtig ist. Darüber hinaus konnte demonstriert werden, dass auch durch Anlegen von magnetischen Feldern die Abstimmung der Laserwellenlänge erreicht werden kann. Neben den Infrarotlasern und deren Charakterisierung wurden auch passive optische Komponenten wie hochreflektierende Infrarot-Braggspiegel und Filterelemente, sowie wellenlängen-selektive Infrarotdetektoren basierend auf Mikroresonatoren entwickelt. Für weitere Verbesserungen wurden auch alternative Materialien für Infrarotbauelemente entwickelt, unter anderem bestehend aus selbst-organisierten Halbleiterquantenpunkten sowie Heterostrukturen aus verschiedenen Halbleitermaterialien. Insbesondere letztere, zeigen ein hohes Potenzial für die Realisierung von effizienten Infrarotbauelementen für ein breites Anwendungsspektrum.