Vom Quantenlabor in die Stratosphäre
ETH-Physiker haben einen Quantenkaskadenlaser entwickelt, mit dem schwache Infrarotsignale aus dem Weltall sichtbar gemacht werden können. Die Apparatur kommt zurzeit auf einem Flug des grössten luftgestützten Observatoriums zum Einsatz.
Lorenzo Bosco, Doktorand bei Jérôme Faist, Professor am Institut für Quantenelektronik, absolviert zurzeit einen ungewöhnlichen Flug: Der ETH-Physiker steigt mit einem Spezialflugzeug der Nasa, einer umgebauten Boeing 747SP, in die Stratosphäre auf und beteiligt sich dort an astrophysikalischen Messungen. Die Besatzung des Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA), wie dieses Flugzeug offiziell heisst, misst an diesem Tag Infrarotsignale von sich abkühlenden Gasen. Davon erhoffen sich die Astrophysiker neue Einsichten, wie in unserer Galaxie Sterne entstehen.
Zusatzgerät macht Signal sichtbar
Dass sich Faist, der sich in seiner Forschung nicht mit Sternen, sondern mit futuristischen quantenoptischen Systemen beschäftigt, an einer astrophysikalischen Mission beteiligt, hat einen guten Grund: Er hat mit seinem Team einen speziellen Laser entwickelt, der diese Messungen überhaupt erst ermöglicht. Denn die Infrarotsignale, welche auf diesem Flug gemessen werden, sind derart schwach, dass sie nur mit einem Trick gemessen werden können.
Die Frequenz des einfallenden Lichts wird dabei mit einem lokalen Oszillator so verändert, dass man es besser vom Hintergrundrauschen unterscheiden kann. Das Prinzip setzt man beispielsweise auch in der Nachrichtentechnik ein, um den Empfang von Radiosendungen zu verbessern. Da die Astrophysiker auf diesem Flug Signale im fernen Infrarotbereich messen wollten, brauchten sie als lokalen Oszillator einen Laser, der im Terahertz-Bereich ein entsprechendes Zusatzsignal liefert.
Konkrete Anwendung für ein innovatives Gerät
Genau dazu sind die Quantenkaskadenlaser fähig, welche Faist seit einigen Jahren mit seiner Gruppe entwickelt. Obwohl das Prinzip dieser Laser bereits in den 1990er-Jahren erstmals umgesetzt wurde, werden diejenigen, die im Terahertz-Bereich operieren, bisher noch kaum in der Praxis angewendet. Dies hängt unter anderem damit zusammen, dass sie im Betrieb auf sehr tiefe Temperaturen heruntergekühlt werden müssen.
Für die SOFIA-Mission entwickelte Faist mit seinem Team einen Quantenkaskadenlaser, der spezifisch auf die Anforderungen der Astrophysiker ausgerichtet ist. «Die Herausforderung bestand darin, ein Gerät zu entwickeln, das ein präzises, leistungsstarkes Signal mit einer klar definierbaren Frequenz liefert», erklärt Faist. Dass nach so vielen Jahren Entwicklungsarbeit dieses Laserkonzept nun eine konkrete Anwendung findet, erfüllt Faist mit Befriedigung.
Von der Mission erhofft sich der ETH-Professor auch Hinweise, wie man den Laser noch weiter verbessern könnte, damit die Astrophysiker auf ihren Flügen solche Infrarotmessungen mit einer grösseren Auflösung durchführen können.
Das fliegende Observatorium und der quantenoptische Laser
