Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer elektromagnetischen Strahlung mit einem eine Vielzahl an schmalbandigen Nutzfrequenzen aufweisenden Frequenzspektrum im Terahertz-Bereich (THz-Bereich) mit einem Quantenkaskadenlaser bei welchem Verfahren gleichzeitig zwei schmalbandige Triggerwellen hoher Intensität in dem aktiven Medium des Quantenkaskadenlasers erzeugt werden, wobei der Abstand der Frequenzen der Triggerwellen so gewählt wird, dass durch Interaktion der Photonen der einen Triggerwelle mit denjenigen der anderen Triggerwelle schmalbandige Resultierendenwellen mit einer zu den Frequenzen der Triggerwellen unterschiedlichen Frequenz erzeugt werden. Die Erfindung betrifft ferner einen Quantenkaskadenlaser zum Durchführen dieses Verfahrens.

Elektromagnetische Strahlung im THz-Bereich wird für bildgebende, materialwissenschaftliche, pharmazeutische und spektroskopische Anwendungen benötigt. Der Frequenzbereich liegt zwischen 0,1 und 10 - 20 THz. Diese Strahlung kann beispielsweise die niederfrequenten Moden anregen und ist daher sensitiv auf Rotationen gasförmiger Moleküle und auf kollektive Schwingungen von Molekülen mit großer Masse und schwachen Bindungen. Beispielsweise kristalline Substanzen besitzen ein stoffspezifisches THz-Frequenzspektrum mit diskreten Frequenzbanden, so dass sich diese Strahlung in besonderer Weise für spektroskopische Anwendungen eignet. Ein solches stoffspezifisches THz-Frequenzspektrum zeichnet sich durch eine Absorption der THz-Strahlung in bestimmten Frequenzen aus. Möchte man dieses für spektroskopische Anwendungen nutzen, ist es erforderlich, eine elektromagnetische Strahlung im THz- Frequenzbereich zu erzeugen, die eine hinreichende Intensität über den Frequenzbereich aufweist, in denen eine Strahlungsabsorption bei dem zu untersuchenden Stoff oder Stoffgemisch zu erwarten ist.

Kostengünstig und mit nur einem geringen Bedarf an Raum kann eine THz-Strahlung mit Quantenkaskadenlasern erzeugt werden. Diese sind kompakt und können THz-Stahlung mit einer für die vorgenannten Zwecke hinreichend hohen Intensität erzeugen. Nachteilig ist, dass die mit einem solchen Laser erzeugte THz-Strahlung nur sehr schmalbandig ist, so dass mit einem solchen Laser nur ein entsprechend schmalbandiger Bereich des THz-Frequenzspektrums abgedeckt werden kann. So kann mit einem solchen Laser typischerweise nur eine einzige Nutzfrequenz oder ein nur wenige 100 GHz breiter Frequenzbereich bereitgestellt werden.

Quantenkaskadenlaser sind Halbleiterlaser, die aus dünnen aufeinander geschichteten Halbleiterschichten, so genannten Quantenfilmen, aufgebaut sind, die elektronische Quantentöpfe innerhalb des Leitungsbandes bilden. In Abhängigkeit von den Materialeigenschaften und der Dicke dieser Halbleiterschichten kann eine elektromagnetische Strahlung in der gewünschten Frequenz erzeugt werden. Um die gewünschte Intensität zu erzielen, ist es erforderlich, eine Vielzahl an Quantentöpfen bereitzustellen, die für die Emission bei der gewünschten Frequenz ausgelegt sind. Typischerweise wird eine Anzahl von mehreren Zehnern an Quantentöpfen benötigt, um die gewünschte Intensität zu erzielen.

Um bei einer Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung im THz- Bereich zwei oder drei Nutzfrequenzen zu erhalten und somit den Laser für eine in gewissem Maße breitbandigere Anwendung auszulegen, ist versucht worden, ein oder zwei weitere Frequenzen durch Implementierung zusätzlicher Quantentöpfe in den Halbleiteraufbau zu implementieren. In der Praxis bedeutet dieses, dass bei Vorsehen beispielsweise von 50 Quantentöpfen je Frequenz bei einem gewünschten Erzeugen von zwei Frequenzen 100 Quantentöpfe in aufeinander geschichteten Halbleiterschichten bereitgestellt werden müssen, wobei sich die Quantentöpfe der unterschiedlichen Frequenzen voneinander hinsichtlich ihres Materials und/oder ihrer Dicke unterscheiden können, um die Strahlung in der jeweils gewünschten Frequenz zu erzeugen. Nachteilig ist bei diesem Konzept zum einen der mit der Herstellung eines solchen Halbleiters zu betreibende Aufwand und die nicht unerhebliche Fehlerträchtigkeit in der Herstellung. Nachteilig ist für einen Anwender jedoch maßgeblich, dass die möglichen Anwendungen bei einem Bereitstellen eines solchen Quan- tenkaskadenlasers mit zwei oder vielleicht drei Nutzfrequenzen im THz- Bereich für spektroskopische oder auch andere Anwendungen nicht aus- reichend sind.

Bei diesem Konzept ist zudem problematisch, dass hinreichende Intensitäten gerade in dem Bereich von weniger als 2 THz und insbesondere von weniger als 1 ,5 THz nicht erzeugt werden können. Grund hierfür ist die durch die Leistung in das aktive Medium eingebrachte Temperatur. Es ist nicht möglich, die Ladungsinversion aufrecht zu erhalten, wenn das Frequenzäquivalent der herrschenden Temperaturen die Frequenz ist, die erzeugt werden soll, die durch das Frequenzäquivalent der Temperatur die benötigte Ladungsinversion spontan zerfallen lässt. Somit steht die Temperatur einer Generierung einer elektromagnetischen Strahlung im Bereich der Frequenzäquivalenz der Temperatur entgegen.

Aus US 2016/0156153 A1 ist ein System bzw. ein Verfahren zur Erzeugung von THz-Strahlung bekannt. Hierbei erfolgt die Erzeugung von THz- Strahlung auf Basis der Differenzfrequenzerzeugung von Frequenzen aus dem mittleren Infrarot in einem Quantenkaskadenlaser. Allerdings ist dieser Prozess nicht dazu geeignet, intensive THz-Strahlung zu erzeugen, da das nichtlineare Mischen aus dem Bereich des mittleren Infrarots in den THz-Bereich nicht effizient ist (Manley-Rowe Relation). Darüber hinaus wird die Effizienz der Erzeugung von THz-Strahlung durch die vorstehend genannte Differenzfrequenzerzeugung dadurch limitiert, dass die elektromagnetischen Wellen des mittleren Infrarots und des THz-Bereichs unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten aufweisen; mithin auf Grund unterschiedlicher Gruppengeschwindigkeitsdispersionen nicht in Phase laufen.

Überdies ist aus DE 10 2016 106 757 A1 ein Metall-Metall-Wellenleiter für einen Quantenkaskadenlaser bekannt, bei dem durch Modifikation des Wellenleiters eine verbesserte Auskoppelleistung für eine spezielle Frequenz erreicht wird. Eine verbesserte Auskopplung von THz-Strahlung aus dem Quantenkaskadenlaser führt jedoch nicht zu einer Emission von breitbandiger Strahlung, sodass zwar intensive Strahlung in einem engen Frequenzbereich, nicht jedoch eine intensive breitbandige Strahlung bereitgestellt werden kann.

Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen einer elektromagnetischen Strahlung im THz-Bereich vorzuschlagen, mit dem in einem breitbandigeren Bereich Frequenzen mit hinreichender Intensität erzeugt werden können, ohne dass Nachteile in Bezug auf die Komplexität des Aufbaus des Lasers und daraus resultierende Fehlerquellen bei der Herstellung hingenommen werden müssten. Auch liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Quantenkaskadenlaser vorzuschlagen, mit dem das vorstehende Problem gelöst werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Erzeugen einer elektromagnetischen Strahlung mit einem eine Vielzahl an schmalbandigen Nutzfrequenzen aufweisenden Frequenzspektrum unter Verwendung eines THz-Quantenkaskadenlasers, bei welchem Verfahren gleichzeitig zwei schmalbandige Triggerwellen hoher Intensität in dem aktiven Medium des Quantenkaskadenlasers erzeugt werden, wobei der Abstand der Frequenzen der Triggerwellen so gewählt wird, dass durch Interaktion der Photonen der einen Triggerwelle mit denjenigen der anderen Triggerwelle schmalbandige Resultierendenwellen mit einer zu den Frequenzen der Triggerwellen unterschiedlichen Frequenz erzeugt werden, wobei durch die Interaktion der Photonen der Resultierendenwellen mit den bezüglich ihrer Frequenz benachbarten Wellen höherer Rangordnung weitere Resultierendenwellen erzeugt werden und sich dieser Vorgang zwischen jeweils zwei bezüglich ihrer Frequenz benachbarten Resultierendenwellen fortsetzt, so dass ausgehend von den erzeugten Triggerwellen kaskadierend Resultierendenwellen in einer Mehrzahl an nachrangigen Ordnungen erzeugt werden, wobei die Position der Frequenzen im Spektrum symmetrisch bezüglich der Position der Durchschnittsfrequenz der Triggerwellen ist. Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß zudem durch einen Quantenkaskadenlaser mit den Merkmalen des Anspruchs 10.

Bei diesem Verfahren wird die Bereitstellung der Mehrzahl oder auch der Vielzahl von Frequenzen in dem gewünschten Band durch eine kaskadie- rende Erzeugung von Frequenzen, ausgehend von zwei in das aktive Medium eingebrachten Triggerfrequenzen erzeugt. Die Triggerfrequenzen können sich, je nach Auslegung des Systems, hinsichtlich ihrer Frequenz unterscheiden. Sind unterschiedliche Frequenzen bzgl. der schmalbandi- gen Triggerwellen vorgesehen, liegen diese typischerweise nah beieinander, so dass der Abstand der Frequenzen der Triggerwellen recht gering ist. Der Abstand der Frequenz der Triggerwellen liegt beispielsweise in dem Bereich zwischen 0,01 und 0,25 THz. Der Abstand dieser Triggerfrequenzen voneinander definiert den Abstand der Frequenzen der aus den Triggerwellen erzeugten Resultierendenwellen von der Frequenz der Triggerwellen. Je kleiner der Abstand der Frequenz der Triggerwellen voneinander ist, desto geringer ist der Abstand der Frequenz der erzeugten Resultierendenwellen von der Frequenz der Triggerwellen, so dass sich hierdurch auch die Breitbandigkeit des gewünschten THz-Frequenzspektrums einstellen lässt. Die Erzeugung der Resultierendenwellen basiert darauf, dass Photonen aus der einen Triggerwelle in Wechselwirkung mit Photonen der anderen Triggerwelle stehen und diese sodann in einer neuen Frequenz schwingen, die naturgemäß abhängig von der Frequenz der beiden Triggerwellen ist. Typischerweise interagieren zwei Photonen der einen Triggerwelle mit einem Photon der anderen Triggerwelle. Die Interaktion der Photonen der einen Triggerwelle mit denjenigen der anderen Triggerwelle ist auch abhängig von dem Abstand der Frequenzen der Triggerwellen voneinander. Untersuchungen haben gezeigt, dass sich über die Abstandswahl der Frequenz der Triggerwellen die Interaktion zweier Photonen der einen Triggerwelle mit einem Photon der anderen Triggerwelle optimieren lässt. Schließlich ist zum Erzielen einer möglichst hohen Intensität der Resultierendenwelle gewünscht, dass die Interaktivität zwischen zwei Photonen der einen Triggerwelle mit einem Photon der anderen Triggerwelle möglichst häufig stattfindet.

Bei einer Auslegung des Verfahrens bzw. eines Quantenkaskadenlasers zum Erzeugen von zwei schmalbandigen Triggerwellen mit derselben Frequenz, erzeugen jeweils zwei Photonen aus dieser Triggerwelle zwei neue Photonen, die zu zwei neuen Resultierendenwellen korrespondieren. Es versteht sich, dass dieses auch mit einer Triggerwelle erfolgen kann, obwohl eine Ausbildung dieser Triggerwelle mit derselben Frequenz unabhängig voneinander erfolgt, da dann eine intensivere Triggerwelle ausgebildet werden kann.

Eine solche Resultierendenwelle ist ebenfalls schmalbandig. Die Intensität einer solchen Resultierendenwelle ist typischerweise geringer als diejeni- ge der Triggerwellen.

Ist die Intensität der Resultierendenwellen hinreichend hoch, was regelmäßig angestrebt sein dürfte, interagieren die Photonen der Resultierendenwelle wiederum mit denen der bezüglich ihrer Frequenz benachbarten Welle höherer Ordnung, etwa der Triggerwelle und erzeugen eine weitere Resultierendenwelle, die dann eine Resultierendenwelle der zweiten Ordnung ist. Dieses setzt sich kaskadierend fort, so dass auf diese Weise Resultierendenwellen in einer mehrfachen Ordnung erzeugt werden. Da die Intensität der Resultierendenwellen typischerweise in jeder weiteren Ordnung gegenüber der vorangegangenen Ordnung abnimmt, wird man, um über einen bestimmten Frequenzbereich eine hinreichende Intensität und damit einen hinreichenden Intensitätskontrast zum Grundrauschen zu haben, die Intensität und/oder den Abstand in der Frequenz zwischen den beiden Triggerwellen wählen. Auf diese Weise lässt sich ein breitbandiges THz-Spektrum mit Resultierenden sogar in einem Abstand von kleiner als 0,1 THz erzeugen, und zwar über eine Bandbreite von mehr als 2 THz. In Folge dessen ist das Auflösungsvermögen, welches mit einer solchen breitbandigen, zahlreiche intensive Frequenzpeaks aufweisenden THz- Strahlung signifikant größer als dieses mit vorbekannten Quantenkaska- denlasern der Fall ist.

Bei diesem Verfahren werden primär nur zwei Triggerwellen mit hoher Intensität erzeugt. Die Frequenz dieser Triggerwellen ist größer als die Frequenz, bei der in das aktive Medium durch den Laser im besonderen Maße Wärme erzeugt wird. Durch die vorbeschriebene kaskadierende Resul- tierendenwellenerzeugung werden in dem ansonsten für die Ausbildung einer breitbandigen THz-Strahlung nicht oder nur bezüglich einzelner schmalbandiger Frequenzen zugängliche Frequenzbereichwellen mit hoher Intensität erzeugt. Insofern wird bei diesem Verfahren in geschickter Weise die kaskadierende Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung mit zunehmend geringerer Frequenz genutzt, um gerade in diesem auch für eine Spektroskopie interessanten Frequenzbereich eine hinreichende Auflösung zu erhalten.

Wenn im Rahmen dieser Ausführungen der Begriff "Intensität" benutzt wird, ist hiermit auch der Intensitätskontrast gemeint, den die elektromag- netische Strahlung bei einer bestimmten Frequenz gegenüber dem Grundrauschen hat.

Die Triggerwellen können auf unterschiedliche Art und Weise erzeugt werden. Möglich ist es beispielsweise, die Triggerwellen in einem aktiven Medium zu erzeugen, welches mit einer Vielzahl von Quantentöpfen mit zwei unterschiedlichen Charakteristika ausgerüstet ist. Die Verstärkung der gewünschten Frequenz der jeweiligen Triggerwelle erfolgt durch konstruktive Interferenz in dem aktiven Medium, beispielsweise durch die Implementierung eines oder mehrerer entsprechender Frequenzselektoren, die beispielsweise durch Gitterstrukturen oder photonische Kristalle realisiert werden können, indem eine Modulation des Brechungsindexes - beispielsweise durch periodische partielle Abwesenheit der metallischen Wellenleiterschichten - und eine daraus resultierende konstruktive Interferenz herbeigeführt wird. Grundsätzlich können die verwendeten Frequenzselektoren eine beliebige Ausgestaltung aufweisen, solange die Auswahl der gewünschten Frequenz erzielt wird. Im Nachfolgenden wird die Frequenzselektion durch Gitterstrukturen beschrieben - analoges gilt auch bei der Verwendung photonischer Kristalle. Wenn in einem solchem Ausführungsbeispiel zwei Triggerwellen erzeugt werden sollen, was die Regel sein dürfte, sind zwei entsprechend der jeweiligen Frequenz versetzt zueinander angeordnete Gitterstrukturen vorgesehen, um die gewünschte konstruktive Interferenz für jede Frequenz bereitzustellen. In demjenigen Bereich des aktiven Mediums, in dem die Photoneninteraktion stattfinden soll, weist dieses eine nicht verschwindende Suszeptibilität dritter Ordnung auf. Es versteht sich, dass diese Eigenschaft das gesamte aus Quantenfilmen bestehende aktive Medium aufweisen kann und diese insbesondere von der angelegten Spannung abhängt. Ebenso kann das aktive Medium durch Wahl geeigneter Halbleitermaterialien und Schichtdicken auf eine Maximierung der Suszeptibilität dritter Ordnung ausgelegt werden. Bei einem Laser machen die Elektronen einen Übergang von einem oberen zu einem unteren Energielevel und senden dabei Photonen aus, was den klassischen Laserübergang ausmacht, auf dessen Effizienz die Materialeigenschaften des aktiven Mediums optimiert werden. Neben diesen Übergängen gibt es eine Vielzahl von am Laserübergang unbeteiligten Energielevels, die die Suszeptibilität dritter Ordnung beeinflussen. Hierbei kommt es auf die Wechselwirkung von dem unteren oder dem oberen Energielevel mit diesen für den üblichen Laserbetrieb unbeteiligten weiteren Energielevels an, wodurch die Suszeptibilität dritter Ordnung nicht unwesentlich erhöht werden kann. Somit wird dieses bei dem beschriebenen Verfahren geschickter Weise ebenfalls ausgenutzt. Ergänzend oder auch alternativ kann dieses auch durch zusätzliches Anlegen einer Spannung am aktiven Medium beeinflusst werden.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel, bei der die Frequenzen der Triggerwellen nur einen geringen Frequenzabstand voneinander aufweisen, verfügt das aktive Medium nur über gleiche Quantentöpfe. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden durch nur geringfügig gegeneinander versetzt angeordnete Gitterstrukturen die beiden Randmoden der Nutzfrequenz verstärkt. Der Frequenzabstand der hieraus abgeleiteten Triggerwellen entspricht dem Abstand der äußeren Moden der durch die Laserbestrahlung der Quantentöpfe erzeugten elektromagnetischen Strahlung im Bereich der gewünschten Frequenz. Im Unterschied zu dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist bei diesem Ausführungsbeispiel das aktive Medium, da nur mit einer einzigen Art an Quantentöpfen ausgerüstet, einfach in seinem Aufbau.

In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die beiden Triggerwellen jeweils in einem eigenen aktiven Medium erzeugt werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist jedes aktive Medium Quantentöpfe mit derjenigen Charakteristik auf, die zum Erzeugen der gewünschten Frequenz erforderlich sind. Bei einer solchen Ausgestaltung kann der Frequenzabstand der Triggerwellen quasi beliebig gewählt werden. Die Wellenleiter der aktiven Medien werden bei einem solchen Konzept in einem Mischabschnitt zusammengeführt, aus dem beide Triggerwellen an derselben Austrittsfläche des Wellenleiters ausgekoppelt werden. Bei dieser Ausgestaltung ist es bei entsprechender baulicher Anpassung möglich, die Intensität der Triggerwellen unabhängig voneinander einzustellen. Hierdurch kann die Ausbildung der Resultierendenwellen beeinflusst werden. Bei Verwendung von jeweils einem aktiven Medium zum Erzeugen der Frequenz einer Triggerwelle können diese mit einer besonderen Intensität erzeugt werden. Mit Blick auf die Abnahme der Intensität mit zunehmender Ordnung der Resultierendenwellen kann dieses sinnvoll sein. In einer Weiterbildung dieses Konzeptes der Erzeugung jeder Triggerwelle in jeweils einem eigenen aktiven Medium und dem Zusammenführen derselben in einem Mischabschnitt ist vorgesehen, dass der Mischabschnitt elektrisch von den aktiven Medien getrennt ist. Der Mischabschnitt bei diesem Ausführungsbeispiel ist ebenso wie die beiden aktiven Medien in einen Stromkreis eingebunden, wobei die angelegte Spannung unabhängig von der an den aktiven Medien anliegenden Spannung eingestellt werden kann. Durch ein solches von den aktiven Medien unabhängiges Unterspannungstellen des Mischabschnittes kann der Mischvorgang der Triggerwellen und damit der Vorgang der Resultierendenwellenbildung beein- flusst, insbesondere verstärkt werden. Hierdurch werden die nichtlinearen Eigenschaften des Quantenkaskadenlasers lokal so eingestellt, dass die Resultierendenwellenerzeugung optimiert werden kann.

Bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen, bei denen die Triggerwellen in individuellen aktiven Medien erzeugt werden, entstehen die Resultierendenwellen innerhalb des Mischabschnittes. Die Resultierendenwellenerzeugung kann weiter optimiert werden, indem der Mischabschnitt durch Einbringen eines Frequenzselektors zur Erzeugung einer konstruktiven Interferenz, die durchaus auch als teilweise konstruktive Interferenz ausgelegt sein kann, im Bereich der typischerweise beiden benachbarten Triggerwellenfrequenzen ausgelegt wird.

Unabhängig von der vorbeschriebenen Ausgestaltung des Quantenkaskadenlasers zum Durchführen dieses Verfahrens besteht die Möglichkeit, die Anzahl der erzeugten Frequenzen dadurch zu erhöhen, dass zwei oder mehr der vorbeschriebenen Aufbauten parallel zueinander geschaltet sind und die Frequenz der Triggerwellen in den beiden Aufbauten leicht unterschiedlich ist. Die Parallelschaltung impliziert hierbei sowohl die parallele Schaltung mehrerer vorbeschriebener Ausgestaltungen der Quantenkas- kadenlaser als auch die Verwendung von mehr als zwei Frequenz- selektoren in einem Quantenkaskadenlaser. Dieses kann genutzt werden, um die Anzahl der erzeugten Frequenzen, wie bereits erwähnt, zu erhöhen. Dieses kann auch genutzt werden, um den Frequenzabstand der Triggerwellen voneinander und damit den Frequenzabstand der Resultierendenwellen bewusst etwas größer zu wählen, um mit einer geringeren Anzahl an Resultierendenwellenordnungen den gewünschten Frequenz- bereich abzudecken. Die Frequenzen wird sodann durch zwei oder mehr derartiger Aufbauten bereitgestellt, wobei die Triggerwellen und die daraus erzeugten Resultierendenwellen mit einem bestimmten Frequenzversatz zu denjenigen des ersten Aufbaus angeordnet sind. Auf diese Weise ist auch die absolute Intensität in den im Randbereich des gewünschten Frequenzspektrums befindlichen Resultierendenwellen noch sehr hoch.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 : Eine schematisierte Darstellung eines Metall-Metall-Wellenleiters als Teil eines Quantenkaskadenlasers,

Fig. 2: einen schematisierten Teilquerschnitt durch den Wellenleiter der Figur 1 ,

Fig. 3: ein Diagramm, darstellend die beiden Frequenzen von Triggerwellen, erzeugt mit dem Quantenkaskadenlaser der vorstehenden Figuren,

Fig. 4a, 4b: eine schematisierte Darstellung einer Erzeugung von Resultierendenwellen durch zwei mit dem Quantenkaskadenlaser der Figur 1 erzeugten Triggerwellen nach einem ersten Re- sultierendenwellenerzeugungsschritt (Figur 4a) und nach einem nachfolgenden Schritt (Figur 4b),

Fig. 5: ein Diagramm, darstellend das Frequenzspektrum der mit dem Quantenkaskadenlaser der Figuren 1 und 2 erzeugten elektromagnetischen Strahlung,

Fig. 6: eine schematisierte Draufsicht auf den Wellenleiter einer weiteren Ausgestaltung eines Quantenkaskadenlasers und Fig. 7: eine alternative Ausgestaltung des Wellenleiters des Quantenkaskadenlasers zu der Ausgestaltung gemäß Figur 6.

Ein in Figur 1 lediglich schematisiert dargestellter Quantenkaskadenlaser 1 umfasst einen Metall-Metall-Wellenleiter 2. Der Wellenleiter 2 ist auf einem dielektrischen Trägersubstrat 3 angeordnet. Der Quantenkaskaden- laser 1 verfügt über eine Gleichstromspannungsquelle 4. Angeschlossen ist die Spannungsquelle 4 mit ihrem Plus-Pol an die als Elektrode 5 ausgelegte obere Deckschicht des Wellenleiters 2. Der Minus-Pol ist an eine auf dem Substrat 3 angeordnete Elektrode 6 angeschlossen. Die Elektrode 6 ist durchgehend auf der Oberfläche des Substrates 3 angeordnet. Der Aufbau des Wellenleiters 2 ist in der Querschnittsdarstellung der Figur 2 gezeigt. Der Wellenleiter 2 umfasst ein aktives Medium 7, auf dem die bereits erwähnte Elektrode 5 als metallische Deckschicht unter Zwischenschaltung einer hochdotierten leitenden Schicht 5.1 aufgebracht ist. Die Schichtdicke der Elektrode 5 sowie der hochdotierten Schicht 5.1 ist in etwa gleich. Die hochdotierte Schicht 5.1 ist auf das aktive Medium 7 aufgewachsen. Die der Elektrode 5 gegenüberliegende Seite des aktiven Mediums ist durch die Elektrode 6 unter Zwischenschaltung ebenfalls einer hochdotierten, elektrisch leitenden Schicht 8 begrenzt. Die Schichtdicken der Elektrode 6 und der hochdotierten Schicht 8 sind in etwa gleich. Der Quantenkaskadenlaser 1 beziehungsweise sein aktives Medium 7 ist zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung im Bereich von 2,5 THz ausgelegt. Wie aus den Figuren 1 und 2 erkennbar, ist die Querschnittsfläche des aktiven Mediums - des Wellenleiters 2 - trapezförmig ausgelegt. Die Darstellung des Wellenleiters 2 ist in den Figuren nicht maßstäblich. Die Metallschichten 5, 8 sind in der Darstellung überhöht gezeigt. Die Länge des Wellenleiters 2 beträgt 1 ,58 mm. Die Stirnseite des aktiven Mediums 7, die dem Anschluss an die Spannungsquelle 4 gegenüberliegt, stellt die Auskoppelfläche 9 des Wellenleiters 2 dar. Aus dieser tritt die elektromagnetische Strahlung in dem vorgenannten Frequenzbereich aus.

Zum Generieren der gewünschten elektromagnetischen Strahlung verfügt das aktive Medium über Quantentöpfe, die bei einer Spannungsbeaufschlagung (gepulst oder im Dauerstrichbetrieb) Photonen freigeben, die in der gewünschten Frequenz schwingen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das aktive Medium 7 mit einer Vielzahl an Quantentöpfen ausgestattet, um die gewünschte Intensität der elektromagnetischen Strahlung zu erzielen. Das aktive Medium 7 weist zwei Quantentopfarten mit unterschiedlichen Charakteristiken auf. Dabei ist vorgesehen, dass eine erste Gruppe an Quantentöpfen zum Generieren einer elektromagnetischen Strahlung in einer ersten Frequenz und eine zweite Gruppe an Quantentöpfen zum Generieren einer elektromagnetischen Strahlung in einer zweiten Frequenz vorgesehen ist. Die Anzahl der in dem aktiven Medium enthaltenen Quantentöpfe sind für die beiden zu erzeugenden Frequenzen gleich.

Im Gegensatz zu herkömmlichen THz Quantenkaskadenlasern, bei denen die Quantentöpfe des aktiven Mediums durch Wahl des Halbleitermaterials und der Schichtdicke auf die Bereitstellung der maximalen Intensität um die Laserfrequenz herum ausgelegt sind, wird beim Gegenstand dieser Erfindung eine optimierte Gestaltung des aktiven Mediums hinsichtlich der nichtlinearen Eigenschaften, insbesondere der Suszeptibilität dritter Ordnung, vorgenommen. Obwohl sich dieses ebenso sowohl durch die Materialeigenschaften als auch durch die Dicke der Halbleiterschichten erzielen lässt, ist es ein neuer, nicht naheliegender Ansatz für THz Quantenkaska- denlaser, die Suszeptibilität dritter Ordnung durch die entsprechende Gestaltung des aktiven Mediums zu maximieren und so die Intensität der Resultierendenwellen einzustellen.

Dieses kann durch Anpassen der Schichtdicke sowie der Tiefe der Quantentöpfe des aktiven Mediums oder durch Variation der an den Quanten- kaskadenlaser angelegten Spannung geschehen.

Die gewünschten beiden Frequenzen werden bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch entsprechende, auf das aktive Medium aufgebrachte Gitter verstärkt, so dass sich diese Frequenzen in dem Frequenzspektrum des Quantenkaskadenlasers 1 dank der implementierten konstruktiven Interferenz besonders bemerkbar machen.

Das Gitter für die erste Frequenz fi ist mit dem Bezugszeichen Gi und dasjenige für die zweite Frequenz fc mit den Bezugszeichen G2 in Figur 1 kenntlich gemacht. Die Gitter G1, G2 sind in der Figur durch unterschiedliche Linienstärke zur besseren Unterscheidung kenntlich gemacht. Der Abstand der Gitterlinien in den beiden Gittern G1, G2 unterscheidet sich entsprechend dem Abstand der jeweils zu verstärkenden Frequenz fi beziehungsweise f2. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Frequenz fi 2,54 THz und diejenige der Frequenz fc 2,68 THz. Figur 3 zeigt die beiden Triggerwellen deren Intensität signifikant höher ist als die Intensität des übrigen Frequenzspektrums, was im Rahmen dieser Ausführungen auch als Grundrauschen angesprochen ist. Dieses Diagramm dient zum Darstellen der Triggerwellen mit ihren Frequenzen fi, fc und zeigt nicht das sich ausbildende Frequenzspektrum bei einem Betrieb des Quantenkaskadenla- sers 1 .

Der Abstand der Frequenzen fi, fc der beiden Triggerwellen voneinander ist hinreichend klein, damit bei der erzeugten Intensität Photonen der Triggerwelle der Frequenz fi mit Photonen der Triggerwelle der Frequenz fc und umgekehrt interagieren. Dieses wird genutzt, um Photonen zu erzeugen, die in einer dritten und einer vierten Frequenz h, U schwingen. Die auf diese Weise gebildeten Wellen - Resultierendenwellen - weisen eine Frequenz auf, die in einem ursächlichen Zusammenhang mit den Frequenzen fi , f2 der Triggerwellen steht. Der Zusammenhang lässt sich mit folgenden Gleichungen beschreiben: f ₃ = 2f 1 - f ₂

U = 2f ₂ - f 1

Jeweils zwei Photonen der Triggerwelle mit der Frequenz fi interagieren mit einem Photon der anderen Triggerwelle mit der Frequenz fc, wobei die Resultierendewelle diejenige mit der Frequenz h ist. Gleiches vollzieht sich auch umgekehrt: zwei Photonen der Triggerwelle der Frequenz fc interagieren mit einem Photon der Triggerwelle der Frequenz fi mit der Folge, dass die Resultierendewelle die Frequenz U aufweist (siehe Figur 4a). Der beschriebene Wirkmechanismus lässt sich auch auf mehr als zwei Triggerwellen ausdehnen. In diesem Fall kann der Frequenzabstand der Triggerwellen nicht äquidistant sein.

Die Intensitäten der Resultierendenwellen in den Frequenzen h, U ist geringer als die Intensität der Triggerwellen in den Frequenzen fi , fc.

Diese Interaktion der Photonen bezüglich ihrer Frequenz benachbarter Wellen setzt sich kaskadierend fort, so dass auch Resultierendenwellen aus Photoneninteraktionen zwischen den Wellen der Frequenzen fi und f3 sowie f2 und U entstehen. Diese Resultierendenwellen sind sodann solche einer zweiten Ordnung mit den Frequenzen fs, f6 (siehe Figur 4b). Deren Intensität ist regelmäßig wiederum geringer als diejenige der Resultierendenwellen der übergeordneten und bei diesem Ausführungsbeispiel der ersten Ordnung in den Frequenzen f3, U. Die Darstellungen in den Figuren 4a, 4b zeigen, dass der Frequenzabstand der Resultierendenwellen von der jeweiligen Welle höherer Ordnung etwa dem Abstand der Wellen der höheren Ordnung voneinander ist. Die Photoneninteraktionen benachbarter Wellen setzt sich weiter fort. Allerdings ist auch eine Interaktion nicht benachbarter Wellen möglich. Genutzt werden können diese Resultierendenwellen solange diese noch eine hinreichende Intensität beziehungsweise einen hinreichenden Intensitätskontrast zum Grundrauschen aufweisen.

Aufgrund des vorstehend beschriebenen Wirkmechanismus ist die Position der Frequenzen im Spektrum symmetrisch bezüglich der Position der Durchschnittsfrequenz der Triggerwellen.

Figur 5 zeigt das Frequenzspektrum bei einem Betrieb des Quantenkas- kadenlasers 1 . Auf der y-Achse ist die Intensität (normiert) logarithmisch aufgetragen. Deutlich erkennbar sind die Frequenzen der beiden Triggerwellen fi , f2 an ihrer prägnanten Intensität sowie vor allem die in den tieferen THz-Frequenzbereich hineingehenden Resultierendenwellen mit den Frequenzen f3, fs etc. Das Frequenzspektrum macht deutlich, dass die Intensitäten der Resultierendenwellen, auch der tieferen Ordnungen noch hinreichend sind, damit diese beispielsweise für spektroskopische Anwendungen nutzbar sind. Die Erzeugung von Frequenzen ist bis in den Frequenzbereich von etwa 0,1 THz hinein möglich. Der insgesamt nutzbare Frequenzbereich erstreckt sich somit von etwa 0,1 THz bis etwa 3,8 THz bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel.

Für die vorstehend angesprochenen spektroskopischen Anwendungen ist vor allem der Frequenzbereich zwischen 0,1 - 0,2 THz und 2,7 THz der Bedeutsame. Gleichwohl entwickeln sich auch ausgehend von den Frequenzen fi , f2 der Triggerwellen zu der Seite der höheren Frequenzen hin Resultierendenwellen, woraus sich das bereits vorgenannte Frequenz- spektrum ergibt.

Das Diagramm der Figur 5 verdeutlicht zudem eine relativ hohe Anzahl an intensiven schmalbandigen Nutzfrequenzen, so dass der gesamte gewünschte Frequenzbereich für viele Anwendungen hinreichend abgedeckt wird. Zur Steigerung der Anzahl der erzeugten Nutzfrequenzen können zwei oder auch mehr derartiger Quantenkaskadenlaser angeordnet werden, deren schmalbandige Nutzfrequenzen geringfügig zueinander versetzt sind. Durch Vorsehen einer zweiten solchen Quantenkaskadenlaser- anordnung kann die Anzahl bereitgestellter Frequenzen verdoppelt werden, wobei die beiden Quantenkaskadenlaser dann typischerweise um den halben Abstand der Frequenz der Triggerwellen voneinander versetzt sind.

Figur 6 zeigt schematisiert ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Wellenleiters 10 eines Quantenkaskadenlasers. Der Wellenleiter 10 ist gegabelt ausgebildet und verfügt über zwei Abschnitte, die das jeweilige aktive Medium 1 1 , 1 1 .1 zum Erzeugen einer Triggerwelle in jeweils einer Frequenz darstellen. Der Wellenleiter 10 ist prinzipiell aufgebaut wie der zu den Figuren 1 und 2 beschriebene. Allerdings unterscheiden sich die aktiven Medien 1 1 , 1 1 .1 von demjenigen des vorbeschriebenen Ausführungsbeispiels dadurch, dass jedes aktive Medium 1 1 , 1 1 .1 nur Quantentöpfe mit ein und derselben Charakteristik aufweisen. Jedes aktive Medium 1 1 , 1 1 .1 ist somit für die Generierung einer Triggerwelle in jeweils einer unterschiedlichen Frequenz ausgelegt. Die beiden aktiven Medien 1 1 , 1 1 .1 unterscheiden sich voneinander auch durch die darauf aufgebrachte Gitterstruktur G3, G4. In dem aktiven Medium 1 1 wird eine Triggerwelle der Frequenz fi und in dem aktiven Medium 1 1 .1 eine Triggerwelle der Frequenz f2 erzeugt. Über den Wellenleiter 10 werden diese Triggerwellen in einen Mischabschnitt 12 geleitet. Dieser ist in Ausbreitungsrichtung durch eine Auskoppelfläche 13 begrenzt. Innerhalb des Mischabschnittes 12 spielt sich die vorbeschriebene Interaktion zwischen den Photonen der Wellen und die kaskadierende Erzeugung der Resultierendenwellen statt. Aus der Auskoppelfläche 13 wird sodann das in Figur 5 gezeigte Frequenzspektrum ausgekoppelt. Bei dem Ausführungsbeispiel des Wellenleiters 10 der Figur 6 sind beide aktive Medien 1 1 , 1 1 .1 sowie der Mischabschnitt elektrisch miteinander verbunden und somit mit gleicher Spannung angesteuert. Insofern sind beide aktiven Medien 1 1 , 1 1 .1 und der Mischabschnitt 12 mit derselben Spannung an den beiden Deckelektroden beaufschlagt.

Figur 7 zeigt einen weiteren Wellenleiter 10.1 , der prinzipiell aufgebaut ist wie der Wellenleiter 10 der Figur 6. Somit wird in den beiden aktiven Medien 1 1 , 1 1 .1 jeweils eine Triggerwelle mit der Frequenz fi bzw. fc erzeugt. Der Wellenleiter 10.1 unterscheidet sich von demjenigen der Figur 6 dadurch, dass der Mischabschnitt 12.1 elektrisch von den aktiven Medien 1 1 , 1 1 .1 getrennt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind durch die elektrische Trennung, angedeutet durch das Bezugszeichen 14, auch die beiden aktiven Medien 1 1 , 1 1 .1 elektrisch voneinander getrennt. Durchaus möglich ist auch eine Ausgestaltung, bei der die elektrische Trennung innerhalb des Eingangs des Mischabschnittes angeordnet ist und somit die beiden aktiven Medien 1 1 , 1 1 .1 elektrisch nicht voneinander getrennt sind, wie dieses bei dem Ausführungsbeispiel des Wellenleiters der Figur 6 der Fall ist.

Die aktiven Medien 1 1 , 1 1 .1 können an eine gemeinsame Spannungsquelle angeschlossen sein. Durchaus möglich ist auch der Anschluss der aktiven Medien 1 1 , 1 1 .1 an unterschiedliche Spannungsquellen um diese aktiven Medien 1 1 , 1 1 .1 mit unterschiedlicher Spannung zu beaufschlagen. Der Mischabschnitt 10 ist bei dem Ausführungsbeispiel des Wellenleiters 10.1 der Figur 7 mit seinen Deckelektroden ebenfalls an eine Spannungsquelle angeschlossen. Diese ist einstellbar, um auf diese Weise die Photoneninteraktion in Bezug auf die gewünschte Resultierendenbildung zu beeinflussen. Hierdurch kann eine Verbesserung erreicht werden.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben worden. Ohne den Umfang der geltenden Ansprüche zu verlassen, ergeben sich für einen Fachmann zahlreiche weitere Ausgestaltungen, die Erfindung im Rahmen der geltenden Ansprüche umzusetzen, ohne dass diese explizit im Rahmen dieser Ausführungen erwähnt werden müssten. Bezugszeichenliste

1 Quantenkaskadenlaser

2 Wellenleiter

3 Trägersubstrat

4 Spannungsquelle

5 Elektrode/Metallschicht

5.1 Schicht

6 Elektrode

7 Aktives Medium

8 Schicht

9 Auskoppelfläche

, 10.1 Wellenleiter

, 1 1 .1 Aktives Medium

, 12.1 Mischabschnitt

13 Auskoppelfläche

14 Elektrische Trennung

fi - fe Frequenz

is G4 Gitterstruktur