Zukunftspreis prize winner 2010

Laureate
Prof. Dr. Federico Capasso, Harvard University, Cambridge, USA

Subject
"Quantum Cascade Lasers"

Prof. Dr. Federico Capasso

Der in Rom geborene Professor Dr. Federico Capasso ist einer der Erfinder des Quantenkaskadenlasers (kurz QCL für engl: Quantum Cascade Laser). Seine individuellen Beiträge, sowohl zur Überwindung der technischen Herausforderungen als auch zur Einführung dieses Lasers in praktische Anwendungen, gelten als die bedeutendsten auf dem Gebiet.

Er studierte Physik in Rom, wurde dort promoviert und forschte im Gebiet der Glaserfaseroptik. 1976 ging er an die Bell Labs in den USA. Die Forschung, die zur Erfindung des Quantenkaskadenlasers führte, begann er dort 1984. Nach zehnjähriger Forschung an periodischen Halbleiterstrukturen gelang seiner Gruppe 1994 in Zusammenarbeit mit Alfred Y. Cho die Herstellung des ersten Quantenkaskadenlasers.

Bis ins Jahr 2002 entwickelte Capassos Gruppe an den Bell Labs in verschiedenen Kollaborationen die Technologie des neuen Lasertyps und trieb dessen Anwendungen voran. Zusammen mit der NASA ließen sich Spurengase in der Atmosphäre messen, und gemeinsam mit dem Automobilhersteller Ford und der Firma Physical Science entstanden hochsensible Detektoren für Abgase und chemische Stoffe. Erst als Abteilungsleiter und später als Vice-President Physical Research trieb Capasso auch die Kommerzialisierung durch Vergabe von Lizenzen voran. Seit 2003 setzt er seine Forschung an der Harvard Universität fort.

Federico Capasso with his students. Any wall is a white board.

The Capasso group at Harvard does intensive research on new concepts.

Eine besondere Bedeutung hat der Quantenkaskadenlaser in der Molekülspektroskopie. Die meisten Moleküle, wie sie in umweltrelevanten Abgasen, in Stoffen der Chemie und in der Prozesstechnik, in Stoffwechselprodukten von Menschen, Tieren und Pflanzen aber auch in Sprengstoff, Rauschgift und Medikamenten vorkommen, besitzen einen „optischen Fingerabdruck“ im mittleren bis fernen Infrarot. Selbst geringste Mengen dieser Moleküle lassen sich nachweisen, wenn man einen Laser mit exakt einstellbarer passender Wellenlänge in dem Bereich des Spektrums besitzt. Genau diese Strahlquelle ist der Quantenkaskadenlaser.

The tiny quantum cascade laser can hardly be recognized in the center of the picture.

Zuvor gab es für diese Anwendungen nur die sogenannten Bleisalzdiodenlaser. Wie beim „normalen“ Diodenlaser wird dort die Laserstrahlung beim Übergang vom Leitungsband (Zustände frei beweglicher Elektronen) in das Valenzband (Zustände gebundener Elektronen) erzeugt.

Die Energiedifferenz („Bandlücke“) der beiden Bänder bestimmt die Wellenlänge der Strahlung, welche der Diodenlaser erzeugen kann. Sie ist materialbedingt, kann aber durch Änderung der Dotierung, eine gezielte Verunreinigung bei der Herstellung der Halbleiter, geringfügig variiert werden. Anders als Diodenlaser für sichtbares Licht oder das nahe Infrarot, erfordern Bleisalzdiodenlaser für den Betrieb sehr tiefe Temperaturen, typischerweise unter 170 Grad Celsius. Diese technische Hürde verhinderte die breite Anwendung außerhalb des Labors.

Der Quantenkaskadenlaser ist ebenfalls ein Halbleiterlaser, doch seine Funktionsweise unterscheidet sich grundsätzlich von dem der Halbleiter-Diodenlaser. Er ist aus einem periodisch wechselnden Materialsystem sehr dünner Schichten aufgebaut, welches ein sogenanntes „Übergitter“ mit Quantentöpfen auf unterschiedlichen Energieniveaus innerhalb des Leitungsbandes bildet. Als Quantentöpfe bezeichnen Physiker Strukturen, die so klein sind, dass die quantenmechanischen Welleneigenschaften der Elektronen zum Tragen kommen und ihr „Aufenthalt“ in bestimmten Bereichen, den „Barrieren“, physikalisch verboten ist. Die Elektronen sind so in den Quantentöpfen auf unterschiedlichen Energieniveaus gefangen. Die Energiedifferenz zwischen den Niveaus kann mittels der Schichtdicken, die das Übergitter bilden, exakt eingestellt werden. Bei Anlegen einer Spannung „tunneln“ die Elektronen kaskadenförmig durch die Barrieren der Töpfe und „fallen“ in den jeweils nächst tiefer gelegenen, wobei sie die Energiedifferenz als Laserstrahlung abgeben.