Für kompakte und kostengünstige Laserquellen bestehen viele profitable Anwendungsmöglichkeiten in Branchen, die vom Kommunikationssektor (z. B. für optischen Richtfunk) über den Sicherheitsbereich (etwa für Raketenabwehrmaßnahmen) bis hin zur Sensorik reichen (z. B. für das Aufspüren von Sprengstoff). Lücken im genutzten Spektrum, insbesondere im fernen Infrarot und im Terahertz-Bereich, bieten sich für die Entwicklung neuer Quellen an. Gleichzeitig stellen Freie-Elektronen-Laser (FEL) eine Alternative gegenüber herkömmlichen Lasern dar, da mit FEL potentiell am effizientesten, flexibelsten und mit höchster Leistung eine abstimmbare, kohärente Strahlung mit Wellenlängen vom Ultraviolett- bis in den Infrarotbereich erzeugt werden kann. Die aktuellen FEL sind jedoch so groß und kostspielig, das sie kaum wirtschaftlich eingesetzt werden können.
Die Mitglieder des Projekts GOSFEL (Graphene on Silicon Free Electron Laser) nutzten die besonderen Eigenschaften des neuartigen Materials Graphen. So konnten sie ein Ziel erreichen, dass laut Projektkoordinator Prof. Geoffrey Nash von Physikern und Ingenieuren schon seit langem verfolgt wurde, nämlich eine kompakte, relativ kostengünstige Festkörperversion eines solchen Lasers.
Von der Theorie zu Konstruktion und Fertigung
Oberste Priorität hatte für die GOSFEL-Forscher, das theoretische Wissen über die zugrunde liegenden physikalischen Prinzipien zu verstehen, bevor sie zur Konstruktion und Fertigung eines Graphen-Metamaterial-Hybriden übergingen, welcher als Laserresonator diente und die Wechselwirkung zwischen Licht und Graphen erheblich verstärkte.
Bei FEL wird üblicherweise ein Elektronenstrahl im Vakuum durch ein alternierendes Magnetfeld geleitet, der daraufhin Strahlung emittiert. Die Wellenlänge der Strahlung ergibt sich aus der Energie des Elektronenstrahls und der Periode des Magnetfelds.
Um das Magnetfeld zu ersetzen, entwickelte das GOSFEL-Team eine neue Struktur, die auf dem Muster von Graphen beruht und Elektronen auf eine Geschwindigkeit beschleunigt bzw. abbremst, bei der sie Strahlung im Bereich von 0,2 bis 10 THz emittieren. Geräte, die von dieser Struktur Gebrauch machen, werden derzeit geprüft, und das Team ist zuversichtlich, dass sie das Funktionsprinzip in den nächsten Monaten demonstrieren werden. Gleichzeitig wurde außerdem ein elektromagnetischer Rückkopplungsresonator entwickelt, der später in das Gerät integriert werden soll.
Laut Prof. Nash wurde das Graphen-Metamaterial-Hybrid ursprünglich als Resonator für den Laser entwickelt, die Forscher stellten jedoch unerwartet fest, dass er auch die Möglichkeit bietet, die faszinierende Wechselwirkung zwischen Licht und Materie näher zu erforschen.
Zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten
Prof. Nash merkt an, dass die Demonstration eines graphenbasierten FEL durch das GOSFEL-Projekt die Anwendung von Lasern in mehrerlei Hinsicht revolutionieren würde – so könnte etwa der Betrieb bei Raumtemperatur ermöglicht werden. Dies würde auch zahlreiche Fortschritte im Bereich Forschung und Entwicklung bedeuten. Eine neue Branche für graphenbasierte Bauteile, welche möglicherweise kostengünstigere Geräte als die Halbleiterindustrie anbieten kann, dürfte für die Hersteller von Sensoren, Analysegeräten und Messinstrumenten von großem Interesse sein.
Auf die Frage nach wahrscheinlichen spezifischen Anwendungen antwortet Prof. Nash: „Wir konnten bereits THz-Modulatoren demonstrieren, welche den aktuellen Stand der Technik übertreffen und in zukünftigen Kommunikationssystemen oder in durch Resonatoren verstärkten graphenbasierten Photodetektoren eingesetzt werden könnten. Die Abstimmbarkeit der Hybridmodi ermöglicht sensorische Messungen ohne Spektrometer, was, in Kombination mit dem integrierten Detektor, beispielsweise einen Weg zu hochempfindlichen, kostengünstigen und kompakten Sensoren für klinische Zwecke eröffnet.“ Er fügt hinzu, dass die Technologie auch zu neuen Sensoren zur besseren Überwachung von Luftschadstoffen wie Stickstoffdioxid führen könnte, um die Umsetzung besserer Eindämmungs- und Kontrollmaßnahmen zu unterstützen.
In der Zukunft möchte Prof. Nash, sobald ausreichende Geldmittel gesichert sind, auf diesen Konzeptnachweis-Modulatoren und -Detektoren aufbauen, um Prototypen zu erstellen, die für Hersteller von Bauteilen und Sensoren interessant sein dürften.
Projektinformationen zu GOSFEL (Laufzeit, Fördervolumen etc.) können bei CORDIS abgerufen werden.
