D. Lenz
Physiker der Universität Innsbruck haben eine Möglichkeit entwickelt, einen Laserstrahl nur durch Temperaturunterschiede mit Strom zu versorgen. So könnte die Abwärme von Mikrochips, die bis jetzt immer mit großen Aufwand gekühlt werden mussten, den Laser mit Energie versorgen.
Innsbruck (Deutschland).Vor rund 50 Jahren wurde das Laserlicht erfunden. Heute hat diese konzentrierte Lichtform Einzug in zahlreiche Bereiche unseres Alltags gehalten. So ist Laser aus der Unterhaltungselektronik, in der Telekommunikation, in der industriellen Fertigung oder aus der Medizin nicht mehr weg zu denken.
Laserstrahlen werden in verschiedenen Wellenlängen zu unterschiedlichen Zwecken eingesetzt. Der sogenannte Quanten-Kaskadenlaser ist wohl der wichtigste Laser in unserem Alltag. Das Licht des Quanten-Kaskadenlaser arbeitet im Bereich der Infrarot- und der Terahertz-Strahlung. Die Lichtverstärkung in einem Quanten-Kaskadenlase wird durch eine sich wiederholende Abfolge aus exakt konstruierten Halbleiterschichten unterschiedlicher Dotierung erzielt, durch die der elektrische Strom geleitet wird. Helmut Ritsch vom Institut für Theoretische Physik an der Universität Innsbruck erklärt: "Die Elektronen durchlaufen diese Struktur durch eine genau bestimmte Abfolge von Tunnelprozessen und Quantensprüngen und senden dabei kohärente Lichtteilchen aus. Zwischen den einzelnen Schichten stoßen die Elektronen allerdings mit anderen Teilchen zusammen und erwärmen auf diese Weise den Laser." Aus diesem muss ein Quanten-Kaskadenlaser ausreichend gekühlt werden. Erhitzen sich seine Bauteile zu stark, schaltet sich der Laser ab.
Die Doktorandin Kathrin Sandner und Helmut Ritsch haben bei der Suche nach einer Lösung für das Problem der Überhitzung eine geniale Idee hervorgebracht. Die beiden Forscher wollen den Temperaturunterschied für den Betrieb des Lasers nutzen, wie sie in der Fachzeitschrift Physical Review Letters beschreiben. Die Physiker wollen den Heizeffekt durch eine Veränderung der Dicke der der Halbleiterschichten nicht nur vermeiden, sondern sogar umkehren. "Ein entscheidender Trick dabei ist es, warme und kalte Bereiche im Laser räumlich voneinander zu trennen. In einem sogenannten Temperaturgradienten-Laser werden die Elektronen im heißen Bereich thermisch angeregt und tunneln dann in den kühleren Bereich, wo Photonen emittiert werden", erklärt Kathrin Sandner. Auf diese Weise entsteht ein Kreislauf, in dem Lichtteilchen ausgesandt und gleichzeitig Wärmeenergie aus dem System entzogen wird. "Zwischen den Emissionsschritten wird jeweils ein Gitterschwingungsquant absorbiert und dabei der Laser gekühlt. Entwickelt man diese Idee weiter, sieht man, dass die Präsenz thermischer Quanten, sogenannter Phononen ausreichen kann, die gesamte Energie für die Laserverstärkung bereitzustellen", erklärt Sandner weiter. Ein Laser könnte dann so ohne elektrischen Strom betrieben werden - Voraussetzung ist aber ein konstanter Temperaturunterschied.
Sollte es gelingen einen Prototypen eines solchen Quanten-Kaskadenlasers erfolgreich zu konstruieren, wäre dies eine riesige technische Innovation. Erste Versuche durch Experimentalphysiker laufen bereits.
"Neben der konzeptuellen Eleganz dieser Idee, könnte sich hier ein völlig neuer Weg eröffnen, die Abwärme in Mikrochips nutzbringend zu verwenden, anstatt sie mittels aufwändiger Kühlung abführen zu müssen", meint Ritsch.
