Medizinische Diagnostik TU Wien und Harvard erfinden neuartigen Laser

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Ein Forschungsteam der TU Wien und Harvard haben einen neuartigen Laser erfunden. Der ringförmige Laser produziert Infrarot-Licht mit einer Wellenlänge, die man je nach Bedarf einstellen kann – und das auf simple Weise, ohne bewegliche Teile.

Laserstrahlen im Infrarotbereich spielen in vielen technologischen Bereichen eine wichtige Rolle – etwa bei medizinischen Diagnosen, oder bei der Analyse von gasförmigen Proben. Ein internationales Forschungsteam der Technischen Universität Wien und der Harvard University (Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences) hat nun einen neuartigen Laser entwickelt, der für solche Aufgaben optimal geeignet ist: Seine Wellenlänge kann in einem bestimmten Infrarot-Bereich auf sehr präzise Weise justiert werden, er lässt sich auf einem kompakten Chip unterbringen und benötigt keine beweglichen Teile. Die neue Technologie vereint die besten Eigenschaften der derzeit modernsten Laserprodukte.

Einstellbare Wellenlänge

„Abstimmbare Laser, also Laser, deren Lichtwellenlänge verändert und gesteuert werden kann, sind aus vielen Technologien nicht mehr wegzudenken, von der Hochgeschwindigkeitstelekommunikation über die medizinische Diagnostik bis hin zur Sicherheitsüberprüfung von Gasleitungen“, sagt Prof. Benedikt Schwarz, der an der TU Wien die Forschungsgruppe für optoelektronische Bauelemente leitet. „Die Lasertechnologie muss jedoch meistens Kompromisse eingehen: Möchte man einen Laser, der in einem breiten Bereich des Spektrums auf viele verschiedene Wellenlängen eingestellt werden kann, dann ist dafür die Präzision der jeweiligen Wellenlängen geringer. Laser, die präzise auf viele Farben abgestimmt werden können, benötigten bisher bewegliche Teile, das macht sie komplex und teuer.“ Der neue Laser soll in Zukunft viele Arten von abstimmbaren Lasern in einem kleineren, kostengünstigeren Gehäuse ersetzen.

Die Forschungsergebnisse wurden in Optica veröffentlicht und unter der gemeinsamen Leitung von Prof. Benedikt Schwarz und Prof. Federico Capasso (Harvard, SEAS) durchgeführt. Die beiden Gruppen verbindet eine langjährige Forschungspartnerschaft.

Ringförmige Halbleiterstruktur

Der neue Laser besteht aus mehreren Halbleiter-Ringen unterschiedlicher Größe. Jeder dieser Ringe kann Infrarotlicht eines ganz bestimmten Wellenlängenbereichs erzeugen. Indem man die Stromzufuhr richtig einstellt, kann man exakt die gewünschte Wellenlänge auswählen. Durch die Kombination mehrerer Ringe kann ein sehr breiter Wellenlängenbereich abgedeckt werden.

Das clevere und kompakte Design sorgt dafür, dass der Laser jeweils nur eine Wellenlänge emittiert, auch in rauen Umgebungen stabil bleibt und leicht skaliert werden kann. Die Ringe funktionieren entweder einzeln oder alle zusammen, um einen stärkeren Strahl zu erzeugen.

„Durch die Anpassung der Ringgröße können wir effektiv jede gewünschte Linie und jede gewünschte Laserfrequenz anvisieren“, sagte Co-Autor Theodore Letsou, Doktorand am MIT und wissenschaftlicher Mitarbeiter in Capassos Labor in Harvard. Die Technologie ist nicht nur auf den Infrarotbereich beschränkt: „Die Vielseitigkeit dieser neuen Plattform bedeutet, dass ähnliche Laser bei verschiedenen kommerziell relevanteren Wellenlängen hergestellt werden können, beispielsweise für Telekommunikationsanwendungen, für die medizinische Diagnostik oder für jeden Laser, der im sichtbaren Lichtspektrum emittiert“, sagt Federico Capasso.

Simpel und kompakt

„Das Schöne an unserem Laser ist seine einfache Herstellung“, sagt Co-Autor Johannes Fuchsberger, Doktorand an der TU Wien, wo das Team die Geräte in den Reinräumen des Zentrums für Mikro- und Nanostrukturen der Universität hergestellt hat. „Wir haben keine mechanisch beweglichen Teile und ein einfaches Fertigungsschema, das nur wenig Platz braucht.“ Die einzigartige Architektur des Lasers schützt auch vor häufigen Problemen wie optischer Rückkopplung, bei der ein Teil des Laserlichts zurück in die Quelle reflektiert wird und zu einer Destabilisierung führen kann.

Die neue Technologie wurde mit Unterstützung des TU Wien Patent- und Lizenzmanagements bereits zum Patent angemeldet.

Originalpublikation: J. Fuchsberger et al., Continuously and widely tunable semiconductor ring lasers, Optica 12,7, 985 (2025). https://doi.org/10.1364/OPTICA.559884

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