Internationales Patent auf Terahertz-Laser und Verstärker angemeldet

Neues Verfahren für Entwicklung kommerziell einsetzbarer Geräte – Anwendungsgebiete reichen von DNA-Analyse und Medizin über Umweltanalytik, Spektroskopie in Physik und Chemie bis hin zur drahtlosen Kommunikation und Astronomie

Längst sind Laser allgegegenwärtig: In Mess- und Fertigungstechnik werden sie ebenso angewandt wie in Informationstechnologie und Medizin und in praktisch allen Naturwissenschaften. Laser aber, die im Terahertz-Bereich strahlen – Licht also mit einer Frequenz von Billionen Hertz aussenden -, sind bislang nur als Prototypen verfügbar, die trotz weltweiter intensiver Forschung unter anderem darunter leiden, dass sie apparativ sehr aufwändig sind, viel Energie verbrauchen oder sich nur unzureichend steuern lassen.

Gleichzeitig aber werden viele Hoffnungen mit ihnen verknüpft: Terahertz-Laser könnten sich zum Beispiel für bildgebende Verfahren in der Medizin, die den Körper nicht durch Strahlen belasten, und für die schnelle Datenübertragung eignen, aber auch für die Untersuchung der Erdatmosphäre und die Astronomie. Sicherheitssysteme an Flughäfen dürften davon ebenso profitieren wie die physikalische Grundlagenforschung, wenn es beispielsweise darum geht, Quantenzustände in Halbleitern zu manipulieren.

Nun hat die Philipps-Universität Marburg ein Verfahren für die Entwicklung von Terahertz-Lasern und optischen Verstärkersystemen zum internationalen Patent angemeldet, das es erlaubt, solche Laser für kommerzielle Zwecke zu bauen. Es zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass die entstehenden Geräte nur wenig Energie benötigen und sich auf einfache Weise steuern lassen. „Es sollte nun möglich sein“, so der Marburger Physiker Professor Dr. Stephan W. Koch, der das Verfahren gemeinsam mit seinem Kollegen Professor Dr. Mackillo Kira erarbeitete, „durch die Wahl geeigneter Halbleitersysteme Verstärker beziehungsweise Laser für einen beträchtlichen Teil des Terahertz-Spektralbereichs zu entwickeln.“

Das Prinzip des Verfahrens basiert auf der Erkenntnis, dass sich Halbleiter optisch so anregen lassen, dass es zu einer Besetzungsinversion zwischen exzitonischen Zuständen kommt. Als exzitonische Zustände werden dabei (negativ geladene) Elektronen in Halbleitern bezeichnet, die eine Bindung mit positiv geladenen „Löchern“ eingegangen sind. Diese Exzitonen wiederum können verschiedene energetische Zustände einnehmen. Während sich normalerweise mehr Exzitonen auf niedrigen Energienieveaus als auf hohen Energieniveaus befinden, ist dies im Fall der „Besetzungsinversion“ genau umgekehrt. In dem Moment nun, in dem die optische Anregung endet, fallen viele Exzitonen von hohen Energieniveaus auf niedrigere Niveaus herunter, nehmen also wieder ihren „Normalzustand“ ein. Dabei senden sie Strahlung aus – in diesem Fall Terahertz-Strahlung.

Die theoretischen Grundlagen für ihre Arbeit haben die Physiker unter anderem in einer Arbeit gelegt, die bereits im vergangenen Jahr unter dem Titel „Photoluminescence and Terahertz Emission from Femtosecond Laser-Induced Plasma Channels“ im Wissenschaftsjournal Physical Review Letters erschien (PRL 94, 115004 (2005)). Hierzu hatte die Philipps-Universität am 4. Juni 2005 eine Pressemitteilung veröffentlicht, die unter http://web.uni-marburg.de/zv/news/presse/2005_04_06_KochStrings.html nachzulesen ist.

Die Vermarktung des neuen Patents hat nun die TransMIT GmbH übernommen, die bereits bei der Patentierung Unterstützung leistete. Als Patentverwertungsagentur der mittelhessischen Hochschulen betreut die TransMIT, zu deren Mitgründern die Philipps-Universität Marburg gehört, Wissenschaftler der Universitäten Marburg und Gießen sowie der Fachhochschule Gießen-Friedberg.

Weitere Informationen

Professor Dr. Stephan W. Koch: Philipps-Universität Marburg, Fachbereich
Physik / Wissenschaftliches Zentrum für Materialwissenschaften, Renthof 5, 35032 Marburg
Tel.: (06421) 28 21336, E-Mail: stephan.w.koch@physik.uni-marburg.de

Professor Dr. Mackillo Kira: Philipps-Universität Marburg, Fachbereich Physik / Wissenschaftliches Zentrum für Materialwissenschaften, Renthof 5, 35032 Marburg
Tel.: (06421) 28 24222, E-Mail: mackillo.kira@physik.uni-marburg.de

Dr. Peter Stumpf: TransMIT GmbH, Kerkrader Straße 3, 35394 Gießen
Tel.: (0641) 94364-12, E-Mail: stumpf@transmit.de

Internationale Veröffentlichungsnummer des Patents: WO 2006/010363 A2