Welche Laser gibt es im mittleren Infrarot?
Ob in der Umweltüberwachung, der Medizin, der Industrie oder in Forschung und Entwicklung ermöglichen Laser im mittleren Infrarot (MIR; 2,5 – 25 µm = 4.000 bis 400 cm⁻¹) hochempfindliche Messungen. In diesem MIR besitzen die Moleküle ihren charakteristischen „molekularen Fingerabdruck“ und können somit eindeutig identifiziert werden.
Laser im mittleren Infrarot können zum Beispiel Quantenkaskadenlaser (QCL) sein, welche 1994 in den Bell Laboratories von Jérôme Faist, Federico Capasso, et a.. erstmals umgesetzt wurden. Wie jeder Laser besteht auch der QCL aus einem aktiven Medium, einem Resonator und einer Pumpquelle. Erst durch eine sogenannte Populationsinversion kann Licht verstärkt und Laserstrahlung erzeugt werden.
Im Fall der QCLs besitzt dieser Lasertyp eine kaskadenartige Folge aus aktiven Regionen und Injektions-/Relaxationsregionen, die aus Quantentöpfen und Barrieren bestehen. Durch eine angelegte Spannung werden Elektronen in die Struktur eingespeist und tunneln zwischen den einzelnen Stufen. In jeder aktiven Region entsteht durch eine Populationsinversion stimulierte Emission, wobei Photonen (=Laserlicht) erzeugt werden.
Anschließend gelangen die Elektronen über die Injektionsregion in die nächste aktive Region und können dort erneut zur Lichtemission beitragen. Dadurch kann ein einzelnes Elektron mehrere Photonen erzeugen.
Die optische Kavität kann im QCL auf mehrere Arten erhalten werden. mirSense bietet Fabry-Perot und Distributed Feedback (DFB) Laser mit einem spektralen Bereich von 10 bis 19 µm (entspricht 1.000 bis 526 cm^⁻¹). Der Fabry-Perot Laser ist die am einfachsten zu realisierende optische Kavität, mit zwei Spiegeln am Ende des Laserchips. Das Ergebnis sind meist mehrere Moden und ein breiteres Spektrum. Im Fall von mirSense können mit dieser Kavität Laserleistungen von mehreren Watt entstehen. Die komplexere optische Kavität ist der Distributed-Feedback Laser (DFB), bei dem man durch das Bragg-Gitter nur eine Mode erhält. Der Laserstrahl ist einmodig und die Laserleistung, im Vergleich zum Fabry Perot Laser, geringer. Die einzelnen Wellenlängen können über das Verändern der Temperatur minimal getunt werden.