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Preisträger
Prof. Dr. Federico Capasso, Harvard University, Cambridge, USA
Thema
"Quantenkaskadenlaser"
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| Prof. Dr. Federico Capasso |
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| | Quantenkaskadenlaser sind die ersten Laser, die Licht über einen weiten Bereich des unsichtbaren Spektrums emittieren, mit Wellenlängen von 3 bis 300 Mikrometer. Daraus ergeben sich ein großes kommerzielles Potenzial und viele neue Möglichkeiten in der Wissenschaft. Quantenkaskadenlaser (QCL, von engl.: Quantum Cascade Laser) umfassen die Region des mittleren Infrarots, in welcher der Absorptions-Fingerabdruck der meisten Moleküle liegt. | | QCL werden daher eingesetzt in der lokalen Messung von Spurengasen in geringster Konzentration – von einem in einer Milliarde bis zu einer Billion Volumenanteilen – wie auch zur Fernmessung von Chemikalien. Beispiele sind die Erfassung von Treibhausgasen, die Überwachung der Luftverschmutzung, die Atemgasanalyse und die Analyse von technischen Verbrennungsvorgängen. Andere Einsatz gebiete liegen in der Freistrahldatenübertragung und bei hohen Leistungen in Sicherheits- und militärischen Anwendungen.
| 1994 stellte Federico Capasso in Zusammenarbeit mit Jerome Faist, Deborah Sivco, Carlo Sirtori, Albert Hutchinson und Alfred Y. Cho an den Bell Labs den ersten QCL vor. Capasso spielte eine wichtige Rolle bei seiner Erfindung, in vielen der wissenschaftlichen und technischen Innovationen wie auch bei deren Kommerzialisierung, bis heute. Erst als Abteilungsleiter und später als Vice President Physical Research an den Bell Labs forcierte er den Technologietransfer und die Lizenzierung der Patente an Start-ups ebenso wie an etablierte Unternehmen. Seit 2003 ist er Robert Wallace Professor of Applied Physics an der School of Engineering and Applied Sciences der Harvard University in Boston, USA. | |
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| Federico Capasso mit seinen Studenten. Jede Wand ist ein White-Board. |
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| Die Capasso-Gruppe an Harvard forscht intensiv an neuen Konzepten. |
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| | Konventionelle Halbleiterlaser erzeugen Licht in Abhängigkeit von der sogenannten Bandlücke, diese ist eine Eigenschaft des Materials. Um eine andere Farbe zu erzeugen, muss ein neues Material gefunden werden, was keine einfache Aufgabe ist. Es ist außerdem schwierig, sehr lange Wellenlängen zu erzeugen, denn „gute“ Materialien gibt es nur für die Wellenlängen von 0,3 bis 3 Mikrometer. Dagegen hängen die Eigenschaften des Lichts eines QCL vom Aufbau des Lasers ab, während das Material, aus dem sie bestehen, in der Industrie weit verbreitet ist. Ihre Herstellung aber ist das Ultimative der Nanotechnologie. | | | | |
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| Der winzig kleine Quantenkaskadenlaser ist gerade noch in der Bildmitte zu erkennen. |
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| | Die Energieniveaus, welche die Wellen länge bestimmen, lassen sich quantenmechanisch maßschneidern, indem die Dicke der verwendeten Materialschichten – im Bereich von Nanometern – genau eingestellt wird. Der Name leitet sich aus dem Weg der Elektronen ab. Sie bewegen sich von einem Quantentopf zum nächsten und fallen dabei auf niedrigere Energieniveaus, so wie Wasser bei einem Kaskadenwasserfall. Ein Elektron erzeugt bei seinem Weg durch die aktive Zone bei jedem „Fall“ ein Laserphoton. Daher ist die Effizienz dieses Lasertyps besonders hoch. | | | Capassos Gruppe in Harvard forscht und entwickelt intensiv an der Konstruktion und Anwendung von QCLs. Ein Beispiel dafür ist ein „Spectrometer on the chip“ mit einer Zeile von 32 QCLs, monolithisch hergestellt auf einem einzigen Chip. Jeder einzelne der Laser wurde so konstruiert, dass er über einen kleinen Wellenlängenbereich abgestimmt werden kann. Dieser Bereich überdeckt die Lücke zu seinen Nachbarn. Mit diesem Chip allein lassen sich die Molekül-Absorptionslinien zwischen 8,73 und 9,43 Nanometer nahtlos erfassen. Andere Arbeiten beschäftigen sich mit der Erzeugung von Terahertz-Strahlung mittels Differenzfrequenzerzeugung im QCL, mit der Herstellung von Hochleistungs-QCL, mit dem Betrieb der Laser bei hohen Temperaturen sowie mit der Veränderung von optischen Moden und dem Fernfeld. |
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 | Hier erhalten Sie die Broschüre mit der Dokumentation der Preisträger und den Nominierten des Jahres 2010. | |
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