EP1776744A2 - Erfindung betreffend emitterelemente elektromagnetischer strahlung sowie verfahren zur erzeugung von besetzungsinversionen in solchen emitterelementen - Google Patents

Erfindung betreffend emitterelemente elektromagnetischer strahlung sowie verfahren zur erzeugung von besetzungsinversionen in solchen emitterelementen

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EP1776744A2
EP1776744A2 EP05774884A EP05774884A EP1776744A2 EP 1776744 A2 EP1776744 A2 EP 1776744A2 EP 05774884 A EP05774884 A EP 05774884A EP 05774884 A EP05774884 A EP 05774884A EP 1776744 A2 EP1776744 A2 EP 1776744A2
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EP
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exciton
excitonic
states
energy
resonance
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Withdrawn
Application number
EP05774884A
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English (en)
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Inventor
Stephan W. Koch
Mackillo Kira
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Philipps Universitaet Marburg
Original Assignee
Philipps Universitaet Marburg
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/14—External cavity lasers

Definitions

  • the present invention relates to novel emitter elements in the form of amplifiers and lasers of electromagnetic radiation using materials or mixtures of such materials, regardless of their aggregate state, which have excitonic energy states or in which such can be formed.
  • the invention furthermore relates to a method for producing a population in exciton p states and for producing a population inversion in such excitonic energy states, and to the use of this method for operating novel emitter elements in the form of amplifiers and lasers for generating electromagnetic radiation.
  • Excitons are understood below to mean bound electron-hole pairs.
  • the binding of the two charge carriers of these excitons takes place by means of the Coulomb interaction force and the excitonic energy states are therefore described on the basis of the energy-atomic scheme of the hydrogen atom.
  • the exciton-binding energy (or binding energy) EB is understood to mean the binding energy of the 1s-exciton state. Transitions between excitonic energy states are crucial in the interaction of electromagnetic radiation, in particular in the infrared region with matter, in particular with condensed matter or with solids for describing the absorption properties of matter, in particular of solids.
  • the excitation delivers electrons from the highest filled Valenz ⁇ band into the empty conduction band, formed by a band gap energy E 9 separated by up to a few eV, by Coulomb interaction between the remaining "hole” in the valence band and electron in the conduction band a bound electron-hole pair (exciton) .
  • This provides, among other known effects, a contribution to the absorption spectrum Energy levels or the energy levels of the excitation spectrum of the excitons in the case of a semiconductor in the image representing the excitation energy E across the pulse (see FIG.
  • the binding energies fall into regions in which internal transitions between excitonic states can absorb energies in the range of terahertz waves and partly beyond that or, in the case of population inversion, also emit them.
  • the range of THz waves is generally on the scale (from low-energy to high-energy electromagnetic waves), ie from
  • Radio waves, microwaves, infrared, visible, ultraviolet, x-ray are classified in the range between microwaves and infrared range.
  • the range of terahertz waves comprises at least the frequency range from 10 ⁇ 10 to 10 ⁇ 13 Hz and thus corresponds at least to the energy range from 0.04136 to 41.36 meV or at least the wavelength range from 2,998 cm to 2,998 mm.
  • THz waves are already being used for a variety of purposes.
  • Rota tion transitions of polar molecules in the gas phase or vibrational modes of macromolecules or crystals or processes in superconductors under ⁇ be investigated.
  • THz waves DNA analysis will also be a field of application for THz waves due to the different refractive indices of single and double-stranded DNA. This would enable so-called marker-free analysis or diagnostic methods for genetic engineering.
  • Another area of application is environmental analysis, i. the detection of ver ⁇ different substances in the air or in water or in food.
  • THz waves it will also be possible to increase the quality assurance of packaged food in the production or storage (without destruction of the packaging).
  • point-by-point scanning of extended objects with THz waves in two or three dimensions also permits THz imaging (ie 2- or 3-dimen- sional imaging, THz imaging or tomography) of the objects. So succeeded an English research team by 2-dim.
  • THz waves in the context of THz tomography is also in the field of safety engineering, e.g. in the transillumination of luggage pieces possible.
  • THz waves may be used as carrier frequencies for wireless communication, e.g. mobile devices are used.
  • Bluetooth Based on the current "Bluetooth" standard with a frequency of 2.45 GHz, it will be possible in the near future to operate radio systems with 50 or 100 GHz and THz waves with 1000 GHz, which have significantly higher transmission rates than "Bluetooth " having.
  • THz or terahertz is used synonymously for the wider range of the entire frequency range, which corresponds in energy terms to the transition between two excitonic states of arbitrary materials and systems which have or can form excitonic states.
  • tunable THz sources have been developed predominantly for spectroscopic purposes, in the field of research, encompassing "free-electron” Lasers “[6],” quantum cascade lasers “[7] or sources that use the difference-frequency method for THz generation [8]. The latter method was described, for example, in Martin Hofmann et al. [9].
  • Semiconductor emitter elements are already known in the field of technology for generating radiation in the range of THz.
  • Semiconductor emitter elements are known in particular as so-called semiconductor diodes or else in semiconductor diode lasers. Their operating principle is based on the fact that in an-formed by a pn junction-active layer conduction and valence electrons, which are separated by the band gap in the energy band of the semiconductor, injected and then recombined with emission of electromagnetic radiation.
  • a semiconductor emitter element which is suitable for emission in the far-infrared spectral range.
  • the emitter element mentioned there has a first semiconductor layer system with at least one first semiconductor layer on a first conductive layer and a second semiconductor layer with quantum dots formed therein, one on the first
  • Semiconductor layer system grown second semiconductor layer system having grown on a third semiconductor layer second conductive layer and a drive element for applying voltage pulses between the first and the second conductive layer, wherein electron tunneling is prevented by the first semiconductor layer.
  • the quantum dots serve - in a known manner - to form energy spectra for the charge carriers enclosed therein.
  • Cascade lasers form two-dimensional electron systems that form at the interfaces of semiconductor heterostructures, a limitation of Electron movements to allow electronic transitions between discrete energy levels in the conduction band.
  • DE 102 17 826 A1 Mitsubishi Denki
  • two excitation laser light sources with different emission wavelengths and a non-linear wavelength conversion device are arranged such that the two optical axes of the emission direction of the two wavelengths are in the range of Conversion device overlap so that a terahertz beam (difference of the two wavelengths of the excitation laser) is emitted in a coaxial to the two axes of the optical axis.
  • sources of THz waves are known which are based on photoconductive substances. As described, for example, in DE 102 17 826 A1 (FIG.
  • No. 2,879,439 (“Production of Electromagnetic Energy”, inventor Charles H. Townes), issued Mar. 24, 1959, discloses an apparatus for generating electromagnetic energy, comprising an ensemble of oscillating particles, which are normally located in the thermal equilibrium state in at least two different discrete energy states and are able to go from one to the other state with release of energy and means for generating an unstable imbalance distribution of particles in the at least two energy states, the means for Er ⁇ generation of an unstable imbalance distribution for the emission of Magnetic energy of a frequency which corresponds to the difference between the minde ⁇ least two energy states are suitable, further comprising a vibrating, electro-magnetic circuit with a Radio Frequenzbe ⁇ rich, which corresponds to the frequency of the electro-magnetic energy and comprising means for transmitting the radiated energy in the elektro ⁇ magnetic circuit and comprising means for extracting energy from the electro-magnetic circuit.
  • the object of the present invention is therefore to specify a method for generating a population or increasing the occupation of an exciton p-state and thus also a method for generating a population inversion in excitonic states, both of which avoid the above disadvantages.
  • the further objects of the present invention are to use the emitter, which is structurally simple, also in the form of amplifiers or lasers for the emission of electromagnetic radiation in the range of the energy differences of excitonic states.
  • the first of these objects (specification of a method for easy occupation of an exciton p state) is achieved according to the invention by specifying the method according to claim 1.
  • the second of these objects (specification of a method for generating an insertion inversion between excitonic states ) is dissolved according to the invention by specifying the method according to claim 5.
  • phase relationship can be observed in the form of an optical polarization of the material, which in turn is coupled back to the exciting laser pulse via the Maxwell equations, but such coherence can generally only last for a certain time (usually a few picoseconds) In solids, especially the long-range Coulomb interaction between all electrons and holes and the interaction between charge carriers and lattice vibrations (phonons), as well as in real systems of existing disorder effects for the Decay of the pol In general, the electron and hole densities remain after such a pulse and the subsequent decay of the polarization in the excited state.
  • the selected material which is suitable for the formation of excitons is exposed to optical excitation [step 1, optical excitation, in FIG. 6], so that an optical polarization with 2 s-like symmetry is induced simple irradiation with the energy corresponding to the 2s resonance is achieved.
  • optical excitation optical excitation
  • Step 2 Coulomb scattering
  • the excitation does not have to take place exactly at the 2s resonance, but it can be detuned up to twice the exciton binding energy.
  • the mechanism does not work because a conversion of the optical excitation does not take place directly in excitons but in unbonded electrons and holes.
  • the charge carrier densities can be broken down again by spontaneous recombination of the electron-hole pairs of the material, and thus also the bound electron-hole pairs (excitons) [step 4, recombination]. Since the excitation according to the invention into the 2s state leads, with a suitable choice of the excitation intensities, only insignificantly to the occupation of the 1s state and because occupancies in the 1 s exciton state decay in a period of nano seconds, while the transition from the 2 s into the 2 p Exciton state (as described above), that is faster, ie in the range of pico to femtoseconds, a significant inversion in p-exciton states can be achieved.
  • the lattice temperature was set at about 10 K, so that only an influence of acoustic phonons is to be expected.
  • the smaller diagram inserted in Fig. 3a shows the pumping (shaded area) and the linear absorption spectrum (Fig. solid line), Eu is the 1s exciton energy.
  • the arrow shows the density at which the dynamics are represented in FIG. 2 (a).
  • the shaded area reflects the conversion efficiency without the phonon scattering.
  • FIG. 3a shows the time profile of the pump pulse, the induced optical polarization and the generated 1s and 2p exciton density.
  • FIG. 2b shows the relative proportion of excitons in different quantum states, whereby it is not surprising, according to the previous state of knowledge, that for 1s excitation the optical polarization is mainly converted into incoherent 1s excitons.
  • the fraction ⁇ nis / n is well above 90% for low computation densities n. This large proportion was to be expected since coherent and incoherent 1s excitons have an excellent energetic
  • the method according to the invention for producing a 2p or higher p-state is also suitable and according to The prior art is novel and inventive when considered as a method for simultaneously occupying s and associated p-states.
  • the justification for the novelty and the inventive step of the method is the same as for the method according to the invention for the occupation of exciton p states, since-like the aforementioned method-no method is known in which essentially one time parallel Occupancy of an s and the associated p-state is generated.
  • the methods according to the invention are the most effective when relatively sharp, spectrally well-formed excitonic resonances or excitonic energy states are present, which is the case, for example. by appropriate cooling or other, e.g. Measurements known from spectroscopy can be easily achieved.
  • FIGS. 5 a, b, c show the extent of the population inversion obtainable by the process ("THz gain vs. detuning") as a function of the "detuning" of the excitation into the 2s exciton resonance in units of EB ie the excite binding energy (i.e., the 1s exciton binding energy) of the assay system under study.
  • Fig. 5b shows the effectiveness of the generation of charge carriers as a function of detuning. This means that it is directly proportional to the absorption spectrum of the tested test system.
  • 5c shows the magnitude of the population inversion "THz gain" in arbitrary units ("arbitrary units") for the test system under investigation (quantum wire) This representation is advantageous since the absolute gain depends on things, such as the number the quantum films (in a 2D system), the excitation intensity, etc.
  • Fig. 2 the energy scheme of an exciton
  • FIG. 4 Quantum-wire when excited in the 1 s exciton resonance
  • FIG. 5 population inversion (top left), generated excitation density
  • FIG. 6 shows the level diagram of an "excitonic THz laser” or amplifier
  • FIG. 7 shows a basic structure of an "excitonic THz amplifier”
  • excitonic emitter (amplifier or laser) is used below to give a conceptual distinction to an “excitonic laser”, which according to the general understanding only supplies energies corresponding to a recombination of the excitons and, on the other hand, ei ⁇ a shorter term for a frequency range which equable energy differences of two exciton states (see definition “THz” above).
  • FIGS. 1 to 5 have already been described in the above text parts.
  • 6 shows an inventive generation of a population inversion and the laser or amplifier process in excitonic energy states.
  • Fig. 7 shows schematically the basic configuration for an excitonic THz amplifier.
  • the electromagnetic radiation to be amplified in the THz range is irradiated into the semiconductor material in the manner known from the laser semiconductor diodes, whereby the population inversion generated between the desired states then amplifies by stimulated emission of precisely the component of the irradiated radiation takes place, which corresponds to the energy difference of the generated population inversion.
  • known optical components such as lenses made of silicon can be used to then bundle the emitted radiation or to treat in a known manner on.
  • Fig. 8 shows the schematic configuration of an excitonic THz laser.
  • the "pumping power" in the form of optical energy in pulsed or cw-form is radiated in a known manner into a cavity indicated by two reflectors (eg made of aluminum or gold) To adjust the pumping power to the permeability of a Aus ⁇ coupling mirror (partially transmissive in the range of typically 2-3% or more) and on the other energy losses.
  • the cavity may also be formed by appropriately machining or coating the surfaces of the "active material” (semiconductor, etc.)
  • the dimensions of the cavity (distance of the reflectors) or distance of the surfaces of the active material are according to the desired modes or wavelengths to choose in the manner known from the laser diodes.
  • this laser can be operated in cw (continuous wave) or in pulsed mode. It is at This laser generates a population of 2p excitons [steps (1) and (2)] by pumping near the 2s resonance.
  • Suitable mirrors for the corresponding frequency range of the transitions between the exciton states can be used to build a cavity in which, given sufficient pump powers, depending on the transition times, losses of the mirrors and other ordinary light lasers known boundary conditions, a stimulated emission elektroma ⁇ gnetischer radiation of the corresponding transitions between Exzitonenzustän- according to the appropriate geometry to be selected.
  • an "excitonic THz laser” the use of semiconductors is provided as the active material for the generation of electromagnetic radiation in the region of the exciton states, due to the higher probability of the transition of a charge carrier into the Conduction band by excitation with electromagnetic radiation is the further preferred embodiment for an "excitonic THz laser" the use of direct semiconductors particularly preferred.
  • a special type of impurity arises when one atom of the host lattice is replaced by another in the same group of the periodic table.
  • nitrogen atoms on phosphorous sites in gallium phosphide (GaP.) form impurities which are referred to as "isoelectronic" and hold charge carriers as a result of modified shielding of the atomic nucleus, while the charge carriers on donors and acceptors are bonded by the Coulomb forces
  • excitons can bind to isoelectronic impurities, ie even such systems are suitable as active media for the process according to the invention and the emitter elements according to the invention ) can be used as active material for the emitter elements according to the invention.
  • nanostructured materials preferably of semiconductors, and very particularly preferably in is preferred as an active material for the generation of electromagnetic radiation in the region of exciton states In this way, sharply pronounced exciton resonances and hence higher population inversions can be achieved than with volume semiconductors.
  • cooling is provided for shifting the exciton energy, ie the exciton resonance, so that the 2 s state level is also provided is lowered, but the energy differences between the exciton conditions do not change.
  • the cooling has the effect of noise effects, e.g. generated by unwanted Gitter ⁇ vibrations to suppress.
  • a control and / or regulation is provided to increase the emission of electromagnetic energy, which keeps the laser under the "lasing" threshold for a certain period of time and then around it to exceed and - at least for a short duration - to achieve a very high stimulated emission.
  • the method according to the invention is used in an oscillator configuration, for example for establishing a time measuring system, as known to the person skilled in the art from other optical or electromagnetic systems, but at least known from US Pat. No. 2,879,439 ,
  • excitonic THz lasers can be realized by simply applying expert knowledge “excitonic THz amplifiers” and thus generally “excitonic emitter elements” (see FIG. 7), as in the art It is only necessary to ensure that, although an ex-citonic inversion, as described above, has to be produced, without the material being introduced into a cavity.

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Abstract

Es wird ein neuartiges Verfahren zur Erzeugung von Besetzungen in exzitoni­schen p-Zuständen und damit ein Verfahren zur Erzeugung von Besetzungsinversionen von Exzitonen, d.h. zwischen deren energetisch beabstandeten Zu­ständen in Materialen vorgeschlagen, in welchen Exzitonen (gebundene Elek­tronen-Loch-Paare) erzeugt werden können. Weiterhin werden Emitterelemente und in Form von Lasern oder Verstärker ("exzitonische THz Laser") oder Oszillatoren vorgeschlagen, welchen das er­findungsgemäße Verfahren nutzen, um entsprechend den energetischen Ab­ständen der Exzitonen-Zustände elektro-magnetische Strahlung zu erzeugen oder zu verstärken oder in Form eines Zeitmaßes (Oszillator) zu nutzen.

Description

Patentanmeldung
Erfindung betreffend Emitterelemente elektromagnetischer Strahlung sowie Verfahren zur Erzeugung von Besetzungsinversionen in solchen Emit¬ terelementen
Die vorliegende Erfindung betrifft neuartige Emitterelemente in Form von Verstärkern und Lasern elektromagnetischer Strahlung unter Verwendung von Materialien oder Mischungen solcher Materialien, unabhängig von deren Aggre¬ gatzustand, welche exzitonische Energiezustände aufweisen oder in denen solche ausgebildet werden können.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Besetzung in Exziton-p-Zuständen und zur Herstellung einer Besetzungsinversion in solchen exzitonischen Energiezuständen, sowie die Verwendung dieses Verfahrens zum Betrieb neuartiger Emitterelemente in Form von Verstärkern und Lasern zur Er¬ zeugung elektromagnetischer Strahlung.
Unter Exzitonen werden im Folgenden gebundene Elektronen-Loch-Paare ver- standen. Die Bindung der beiden Ladungsträger dieser Exzitonen erfolgt durch die Coulombsche Wechselwirkungskraft und die exzitonischen Energiezustände wer¬ den daher in Anlehnung an das Energietermschema des Wasserstoffatoms be¬ schrieben. Unter der Exzitonen-Bindungs-Energie (oder Binding-Energy) EB wird im Folgenden die Bindungsenergie des 1s-Exzitonen-Zustands verstanden. Übergänge zwischen exzitonischen Energiezuständen sind bei der Wechselwir¬ kung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere im Infrarotbereich mit Materie, insbesondere mit kondensierter Materie oder mit Festkörpern zur Be¬ schreibung der Absorptionseigenschaften der Materie, insbesondere von Festkör¬ pern entscheidend. Insbesondere in Halbleitern, zu denen im festen Zustand auch manche organische Materialien, sowie Isolatoren, bis hin zu Gasen oder Edelgasen gezählt werden können, liefert die Anregung von Elektronen aus dem höchsten gefüllten Valenz¬ band in das leere Leitungsband, welche durch eine Bandlückenenergie E9 von bis zu einigen eV getrennt sind, durch Coulomb-Wechselwirkung zwischen dem ver¬ bleibenden „Loch" im Valenzband und Elektron im Leitungsband ein gebundenes Elektron-Loch-Paar (Exziton). Dieses liefert neben anderen bekannten Effekten einen Beitrag zum Absorptionsspektrum. Die zugeordneten Energieniveaus oder die Energieniveaus des Anregungsspek- trums der Exzitonen liegen bei einem Halbleiter im Bild der Darstellung der Anre¬ gungsenergie E über dem Impuls (siehe Fig. 1) knapp unterhalb der Energie der Leitungsbandkante, d.h. z.B. für einen GaAs-Halbleiter liegt das 1 s-Exzitonen- Niveau bei ca. 1.4 (bei Zimmertemperatur) bis 1.5 eV (bei niedrigeren Temperatu¬ ren), d.h. in der Nähe der Energie der Bandlücke von GaAs. Aus der wasserstoffartigen Beschreibung der Exzitonen ergibt sich ein Energie¬ schema, das in Fig. 2 skizziert ist. Experimentell bestätigte Bindungsenergien EB für Halbleiter sind im Bereich von meV (z.B. für InSb: EB = ca. 0.5 meV bei E9 = ca. 0.2 eV oder für CuCI: EB = ca. 110 meV bei E9 = ca. 3.1 eV), wobei ein nahe¬ zu linearer Zusammenhang zwischen der Bindungsenergie und der Energie der Bandlücke festzustellen ist. Damit fallen die Bindungsenergien in Bereiche, bei denen durch interne Übergänge zwischen Exzitonen-Zuständen Energien im Be¬ reich von Terahertz-Wellen und teilweise darüber hinaus absorbiert oder, im Falle von Besetzungsinversion auch abgestrahlt werden können. Der Bereich der THz-Wellen wird im Allgemeinen auf der Skala (von energiearmen hin zu energiereichen elektromagnetischen Wellen), d.h. von
Radiowellen, Mikrowellen .Infrarot, Sichtbar, Ultraviolett, Röntgen im Bereich zwischen Mikrowellen und Infrarot-Bereich eingeordnet. Der Bereich der Terahertzwellen umfasst dabei mindestens den Frequenzbereich von 10Λ10 bis 10Λ13 Hz und entspricht damit mindestens dem Energiebereich von 0.04136 bis 41.36 meV oder mindestens dem Wellenlängenbereich von 2.998 cm bis 2.998 mm.
THz-Wellen werden bereits für vielfältige Anwendungszwecke genutzt. Innerhalb des Bereiches Forschung und kommerzielle Entwicklung können damit z.B. Rota- tionsübergänge von polaren Molekülen in der Gasphase oder Schwingungsmoden von Makromolekülen oder Kristallen oder aber Vorgänge in Supraleitern unter¬ sucht werden.
Für die Zukunft ist davon auszugehen, dass die DNA-Analyse, aufgrund der unter- schiedlichen Brechungsindices von Einzel- und Doppelstrang-DNA ebenso ein Einsatzgebiet für THz-Wellen wird. Damit könnten dann so genannte markerfreie Analyse oder Diagnoseverfahren für die Gentechnik ermöglicht werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet stellt die Umweltanalytik, d.h. der Nachweis ver¬ schiedenster Stoffe in der Luft oder im Wasser oder in Nahrungsmitteln dar. Mit THz-Wellen wird es auch möglich sein die Qualitätssicherung von verpackten Le¬ bensmitteln in der Produktion oder Lagerung (ohne Zerstörung der Verpackung) zu erhöhen. Generell ist durch die punktweise Durchleuchtung auch ausgedehnter Objekte mit THz-Wellen in zwei oder drei Dimensionen auch eine THz-Bildgebung (also 2- oder 3-dim. Abbildung, THz-lmaging bzw. -Tomography) der Objekte möglich. So gelang es einem englischen Forscherteam durch 2-dim. Durchleuch¬ tung der menschlichen Haut eine relativ häufige Hautkrebsart mit hoher Sicherheit nachzuweisen. Der Einsatz von THz-Wellen im Rahmen der THz-Tomography ist aber auch im Bereich der Sicherheitstechnik, z.B. bei der Durchleuchtung von Ge¬ päckstücken möglich. Im Bereich der Kommunikation können THz-Wellen als Trägerfrequenzen für die drahtlose Kommunikation, z.B. mobiler Geräte genutzt werden. Ausgehend vom derzeitigen „Bluetooth'-Standard mit einer Frequenz von 2,45 GHz, wird es in na¬ her Zukunft möglich sein Funksysteme mit 50 oder 100 GHz und durch THz- Wellen mit 1000 GHz zu betreiben, welche deutlich höhere Übertragungsraten als „Bluetooth" aufweist.
Im Folgenden wird die Bezeichnung THz oder Terahertz synonym für den weiteren Bereich des gesamten Frequenzbereiches verwendet, welcher energetisch dem Übergang zwischen zwei Exzitonen-Zuständen beliebiger Materialien und Syste¬ me entspricht, die Exzitonen-Zustände aufweisen oder ausbilden können.
Entscheidend für all diese Anwendung ist aber die Verfügbarkeit günstiger THz-Emitter in Form von Verstärkern oder Lasern Stand der Technik
Im Bereich der Forschung verwendeten mehrere kürzlich durchgeführte Versuche Terahertz-(THz) Strahlungsfelder, um optisch gebildete Viel-Teilchen-Systeme di¬ rekt zu untersuchen. Diese Methode wurde bislang genutzt, um THz- Leitfähigkeitsmessungen [3], Plasmonen [4] und die Bildung von gebundenen Ex- zitionen [5] zu untersuchen.
So konnte in [5] (R.A. Kaindl et al.,) im Jahre 2002 an GaAs-Mehrfach- Quantenschichten (multiple quantum-wells) als Testsystem die Besetzung des 1s Exzitonen-Niveaus mit inkohärenten Exzitonen nachweisen. Die Besetzung dieser Niveaus gelang durch optische nicht-resonante Anregung, d.h. durch Anregung in das Kontinuum der ungebundenen Elektron-Loch-Paar-Zustände (Continuum), d.h. in das Leitungsband des Testsystems mit einem nah-infraroten (800 nm) La¬ ser-Puls von 1 ps Dauer. Aufgrund der Coulomb-Anziehung zwischen den positiv geladenen Löchern und den negativ geladenen Elektronen formen sich aus den optisch angeregten ungebundenen Elektron-Loch-Paaren, in Folge von Streuung an Phononen und Störstellen gebundene Elektronen-Loch-Paare, d.h. Exzitonen- Populationen in dem 1s-Zustand, welcher in dem GaAs-Quantenschicht- Testsystem energetisch unterhalb dem Leitungsband des Halbleiters oder unter¬ halb des Kontinuums der freien Elektron-Loch-Paar-Zustände liegt. Nach ver- schiedenen Wartezeiten von ca. 1 bis über 1.000 ps wurde anschließend das so optisch angeregte Testsystem einem breitbandigen THz-PuIs mit 500fs Impuls¬ dauer (Wellenlänge ca. 100-300 μm) ausgesetzt, um die Freiheitsgerade der zuvor gebildeten Exziton-Populationen zu testen. Bei Wartezeiten von ca. 1000 ps für das oben geschilderte System konnte ein Übergang vom 1s zum 2p-Exziton Zu- stand des Systems bei einer Energie von ca. 7 meV nachgewiesen werden.
Das in oben aus [5] geschilderte Verfahren zur Besetzung eines Exzitonen- Zustands (des 1s-Zustandes) und das in [5] geschilderte Verfahren, welches im Wesentlichen dem obigen entspricht, mit dem Unterschied der direkten optischen Anregung in den 1s-Zustand sowie die allgemein bekannte zwei Photonen- Absorption zur Besetzung auch von p-Zuständen und die ebenfalls allgemein be¬ kannte Konversion zwischen Ortho- und para-Exzitonen in Materialien wie Cu2O bilden die einzigen bislang bekannt Verfahren zur Besetzung eines Exzitonen- Zustands. Neben der im Bereich der Grundlagenforschung verwendeten Methode, THz Strahlung durch Mischen zweier, gegeneinander leicht verstimmter Laserstrahlen im optischen Bereich zu erzeugen, wurden überwiegend für spektroskopische Zwecke, im Bereich der Forschung, durchstimmbare THz-Quellen entwickelt, um- fassend „freie-Elektron-Laser" [6], „Quanten-Kaskaden-Laser" [7] oder auch Quel¬ len, welche zur THz-Erzeugung die Differenz-Frequenz-Methode nutzen [8]. Letz¬ tere Methode wurde z.B. in Martin Hofmann et al. [9] dargestellt.
Im Bereich der Technik sind zur Erzeugung von Strahlung im Bereich von THz schon Halbleiter-Emitterelemente bekannt. Halbleiter-Emitterelemente sind insbe¬ sondere als so genannte Halbleiter-Dioden oder auch in Halbleiter-Diodenlasern bekannt. Deren Funktionsprinzip beruht darauf, dass in eine -durch einen pn- Übergang gebildete- aktive Schicht Leitungs- und Valenzelektronen, welche durch die Bandlücke im Energieband des Halbleiters getrennt sind, injiziert werden und dann unter Abgabe von elektromagnetischer Strahlung rekombinieren.
Aus der DE 101 22 072 A1 (Infineon) ist ein Halbleiter-Emitterelement bekannt, welches zur Emission im ferninfraroten Spektralbereich geeignet ist. Das dort ge¬ nannte Emitterelement weist ein erstes Halbleiterschichtssystem mit wenigstens einer ersten Halbleiterschicht auf einer ersten leitenden Schicht und einer zweiten Halbleiterschicht auf mit darin ausgebildeten Quantendots, ein auf dem ersten
Halbleiterschichtsystem aufgewachsenes zweites Halbleiterschichtsystem mit auf einer dritten Halbleiterschicht aufgewachsener zweiter leitender Schicht und ein Ansteuerungselement zum Anlegen von Spannungspulsen zwischen der ersten und der zweiten leitenden Schicht auf, wobei Elektronentunneln durch die erste Halbleiterschicht verhindert wird. Die Quantendots dienen dabei -in bekannter Weise- zur Ausbildung von Energiespektren für die darin eingeschlossenen La¬ dungsträger.
Dort zitiert [11], ist auch eine weitere, bekannte Variante von Halbleiter- Emitterelementen zur Emission im feminfraroten Spektralbereich, welche als so genannte „Quanten-Kaskadenlaser" bekannt ist. Bei diesen Quanten-
Kaskadenlasern bilden zweidimensionale Elektronensysteme, welche sich an den Grenzflächen von Halbleiter-Heterostrukturen bilden, eine Einschränkung von Elektronenbewegungen, um elektronische Übergänge zwischen diskreten Ener¬ gieniveaus im Leitungsband zu ermöglichen.
Ebenfalls im Bereich der Technik bekannt sind Vorrichtungen zur Emission von THz-Wellen, bei denen die Methode der Differenzen-Frequenz genutzt wird. Ein Beispiel dafür ist die DE 102 17 826 A1 (Mitsubishi Denki), bei der zwei Erre¬ gungslaser-Lichtquellen mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen und eine nichtlinearen Wellenlängen-Umwandlungsvorrichtung so angeordnet sind, dass die beiden optischen Achsen der Ausstrahlungsrichtung der beiden Wellenlängen sich im Bereich der Umwandlungsvorrichtung so überlappen, dass ein Terahertz- strahl (Differenz der beiden Wellenlängen der Erregungslaser) in einer zu den bei¬ den optischen Achsen koaxialen Richtung ausgestrahlt wird. Weiterhin sind Quellen von THz-Wellen bekannt, welche auf fotoleitenden Sub¬ stanzen beruhen. Wie z.B. in DE 102 17 826 A1 (Fig. 5 dort, Zitat aus [12]) be¬ schrieben, weisen diese einen fotoleitenden Dünnfilm aus einem Halbleiter und einen Spalt auf, an welchen eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, sowie eine Dipolantenne, so dass bei Auftreffen eines Laserstrahls auf den Halbleiter (Dünnfilm) mit einer Energie, welche höher ist als der Bandabstand des Halblei¬ ters, freie Träger erzeugt werden, welche in Folge der am Spalt angelegten Span¬ nung einen impulsartigen Strom auslösen und damit die Aussendung einer elek- tromagnetischen Terahertzwelle zur Folge haben. Es ist auch bekannt kontinuierli¬ che Terahertzwellen zu erzeugen, indem die Strahlen zweier kontinuierlich arbei¬ tender Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen auf einer fotoleitenden Vorrich¬ tung optisch gemischt werden unter Ausbildung einer gemischten Welle (Schwe¬ bung), so das diese Welle im Terahertzbereich liegt. Aus der Patentschrift US 2,879,439 („Production of Electromagnetic Energy", Er¬ finder Charles H. Townes) mit Erteilungsdatum 24.3.1959, ist ein Apparat zur Er¬ zeugung elektromagnetischer Energie bekannt, umfassend ein Ensemble oszillie¬ render Partikel, welche sich normalerweise im thermischen Gleichgewichtszustand in mindestens zwei unterschiedlichen, diskreten Energiezuständen befinden und in der Lage sind vom einem zum anderen Zustand unter Abgabe von Energie über¬ zugehen und Mittel zur Erzeugung einer instabilen Ungleichgewichts-Verteilung von Partikeln in den mindestens zwei Energiezuständen, wobei die Mittel zur Er¬ zeugung einer instabilen Ungleichgewichts-Verteilung zur Abstrahlung elektro- magnetischer Energie einer Frequenz, welcher der Differenz zwischen den minde¬ stens zwei Energiezuständen entspricht, geeignet sind, des Weiteren einen schwingenden, elektro-magnetischen Kreislauf mit einem Betriebsfrequenzbe¬ reich, welcher der Frequenz der elektro-magnetischen Energie entspricht und umfassend Mittel zur Übertragung der abgestrahlten Energie in den elektro¬ magnetischen Kreislauf und umfassend Mittel zur Extraktion von Energie aus dem elektro-magnetischen Kreislauf.
In der vorgenannten Schrift wird aber vorwiegend auf die damals bekannt werden¬ den MASER (Microwave Amplifiaction by Stimulated Emission of Radiation) abge- stellt, insbesondere auf Molekülstrahlmaser bei denen die „Anregung" oder die In¬ version der Besetzungszahlen in den diskreten Energiezuständen vorwiegend durch Separation eines Molekülstrahles in einen angeregten und einen unange- regten Teilstrahl mittels magnetischer Felder erfolgte. Auch aus der Patentschrift US 4,161 ,436 („Method of Energizing a Material", Er- finder Gordon Gould) basierend auf der US 804,539 vom 6.4.1959, mit Erteilungs¬ datum 26.4.1988, sind Methoden zur Erzeugung einer Besetzungsinversion und deren Verwendung in Vorrichtung zur „Energetisierung" vornehmlich in chemi¬ schen Reaktionen, wie Dissoziation oder durch exotherme Reaktionen bekannt. In der vorgenannten Schrift wird die Inversion der Besetzungszustände in Gasen (als aktives Medium) z.B. durch Bestrahlung mit Gasentladungslampen (wobei die Atome der Gasentladungslampe durch Stöße mit Elektronen, welche aus der Ent¬ ladung entstanden sind angeregt werden, „Stöße erster Ordnung") oder durch di¬ rekte Entladungen innerhalb des Gases des aktiven Mediums (z.B. durch Radio¬ wellen) oder durch Stöße „zweiter Ordnung" zwischen den Atomen eines ersten Gases und denen des als aktives Medium wirkenden Gases erzeugt (z.B. Na und Hg). Durch die beiden Verfahren, bei denen Stöße zur Anregung eingesetzt wer¬ den, konnten auch Besetzungen oder Populationen in solchen Energieniveaus er¬ zeugt werden, welche nicht durch Lichtanregung -aufgrund der Auswahlregel für den Drehimpuls- besetzbar sind. Darüber hinaus ist aus der DD 268 091 A1 (Akademie der Wissenschaften der DDR) ein Verfahren und eine Anordnung zur Erzeugung von Besetzungsinversion und Lasertätigkeit im Röntgen- bzw. vakuumultravioletten Spektralbereich be¬ kannt. Bei dem dort beschriebenen Verfahren werden mittels Laserstrahlung er- , ,
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zeugte Plasmen genutzt, wobei zwei Plasmen zeitlich und räumlich unabhängig voneinander erzeugt werden und entgegengesetzte Expansionsrichtungen haben und ein Plasma als Wärmesenke zur Kühlung des anderen Plasmas bei Aufrecht¬ erhaltung der erforderlichen Elektronendichte dient, wobei der Dichtebereich, in dem Inversion auftritt, vergrößert wird.
In keiner der beiden letzt genannten US- oder der DD-Patentschrift werden jedoch
Exzitonen-Zustände, d.h. Energiezustände gebundener Elektronen-Loch-Paare erwähnt.
Insgesamt sind keine Patentschriften oder Forschungsergebnisse, selbst aus der aktuellen Literatur bekannt, in denen der Gedanke verfolgt wird, die Energieterm¬ schemata der Exzitonen-Zustände, welche meist durch die des Wasserstoffatoms approximiert werden, in Materialien in der Form von Festkörpern, wie z.B. Halb¬ leitern, Flüssigkeiten oder Gasen oder deren geänderten Zuständen, wie su¬ prafluiden Flüssigkeiten oder Plasmen zu nutzen, um darin durch direkte optische Anregung, d.h. durch Anregung einer s-artigen Polaristation und Umwandlung derselben durch Coulombwechselwrikung zur Erzeugung einer Exzitonenpopulati- on in einem p-Zustand, eine Besetzungsinversion (im Vergleich zum thermischen Gleichgewicht) zu erzeugen, um damit schließlich elektromagnetische Strahlung, insbesondere im Bereich der Terahertz-Wellen oder den angrenzenden Fre- quenzbereichen zu erzeugen oder zu verstärken.
Dies ist nicht weiter verwunderlich, da im Wesentlichen erst in den letzten Jahren die entscheidenden Schritte im Hinblick auf das Ziel die Bildung von Exzitonen zu verstehen, unternommen wurden. Die Ursachen dafür sind vielfältig, jedoch ist für den experimentellen Bereich festzuhalten, dass eine Ursache durch das Fehlen geeigneter spektroskopischer Methoden, d.h. der direkten THz-Spektroskopie an wohlcharakterisierten Testsystemen gegeben war.
Für den theoretischen Bereich liegt eine Ursache darin, dass die Beschreibung der Coulomb-Wechselwirkung unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Wechselwir¬ kung der Elektronen und Löcher mit dem Lichtfeld und mit Phononen, insbesonde- re im Hinblick auf die Erzeugung von Exzitonen-Populationen, in Vielteilchensy- stemen äußerst schwierig und rechnerisch aufwendig ist. Nachteile im Stand der Technik
Die bekannten, vorgenannten Verfahren zur Erzeugung von Besetzungen von Ex- zitonen-p-Zuständen, speziell die 2-Photonen-Absorption sind für praktische An¬ wendungen nur schlecht geeignet, da dafür Lichtquellen mit Energien im Bereich der halben Bandlücke notwendig wären, diese aber in der Regel nicht oder nur sehr schwer kommerziell erhältlich sind.
Bei den vorgenannten Emitterelementen können zwar viele verschiedene Halblei¬ termaterialien mit relativ großer Bandlücke für den Einsatz im ferninfraroten Spek¬ tralbereich verwendet werden, jedoch weisen alle vorgenannten Halbleiter- Emitterelemente den Nachteil auf, dass der Herstellungsprozess sehr komplex und aufwendig ist (Herstellung von Heterostrukturen, d.h. dünnen Schichtfolgen mit Dimensionen im nm-Bereich).
Die anderen oben genannten Vorrichtungen oder Verfahren sind apparativ oder anderweitig aufwendig, da z.B. zwei Lichtquellen und weitere Elemente, wie z.B. Phasenanpassungsvorrichtung etc. notwendig sind.
In keinem Fall sind die genannten Vorrichtungen und Verfahren in der Lage Be¬ setzungsinversionen in oder Übergänge zwischen Energiezuständen von Exzito- nen auf einfache und damit steuerbare Art oder mit geringem Energieeinsatz zu erzeugen.
Aufgabe
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein Verfahren zur Erzeugung ei¬ ner Besetzung oder Erhöhung der Besetzung eines Exzitonen-p-Zustands und damit auch ein Verfahren zur Erzeugung einer Besetzungsinversion in Exzitonen- Zuständen anzugeben, welche beide die obigen Nachteile vermeiden.
Die weiteren Aufgaben der vorliegenden Erfindung bestehen darin -unter Ver¬ wendung der Verfahren- baulich einfache Emitter auch in Form von Verstärkern oder Lasern für die Aussendung elektromagnetischer Strahlung im Bereich der Energiedifferenzen exzitonischer Zustände anzugeben. Lösung der Aufgabe
Die erste dieser Aufgaben (Angabe eines Verfahrens zur einfachen Besetzung ei¬ nes Exzitonen-p-Zustands) wird erfindungsgemäß gelöst durch die Angabe des Verfahrens gemäß dem Anspruch 1. Die zweite dieser Aufgaben (Angabe eines Verfahrens zur Erzeugung eines Be¬ setzungsinversion zwischen exzitonischen Zuständen) wird erfindungsgemäß ge¬ löst durch Angabe des Verfahrens gemäß Anspruch 5.
Die dritte und vierte dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Ge¬ genstände der Ansprüche 11 bis .15.
Es ist bekannt, dass resonante Laser Anregung von Halbleitern eine kohärente „Interband Polarisation" zwischen Leitungsband-Elektron- und Valenzband-Loch- Zuständen induziert. Das Wort kohärent bedeutet hier, dass all diese Prozesse eine wohl definierte Phasenbeziehung haben, die vom anregenden Laser-Puls aufgeprägt wird. Diese Phasenbeziehung ist in Form einer optischen Polarisation des Materials beobachtbar, die ihrerseits über die Maxwellgleichungen wieder an den anregenden Laserpuls zurückkoppelt. Eine solche Kohärenz kann im Allge¬ meinen jedoch nur für eine gewisse Zeit (in der Regel einige Picosekunden) auf¬ rechterhalten werden, da immer auch phasenzerstörende Prozesse stattfinden. In Festkörpern sorgen vor allem die langreichweitige Coulombwechselwirkung zwi¬ schen allen Elektronen und Löchern und die Wechselwirkung zwischen Ladungs¬ trägern und Gitterschwingungen (Phononen), sowie in realen Systemen of vor¬ handene Unordnungseffekte für den Zerfall der Polarisation. Im Allgemeinen blei¬ ben die Elektron- und Lochdichten nach einem solchen Puls und dem nachfolgen- den Zerfall der Polarisation im angeregten Zustand erhalten.
Weiterhin ist bekannt, dass durch Wechselwirkung und Streuprozesse diese „opti¬ sche Polarisation" in inkohärente Populationen von ungebundenen oder/und ge¬ bundenen Elektron-Loch-Paaren (Exzitonen) umgewandelt werden kann. Obwohl die exzitonischen Eigenschaften der kohärenten Polarisation einigerma- ssen gut verstanden sind, bildet die Untersuchung der Umwandlung der kohären¬ ten Polarisierung in inkohärente Viel-Teilchen-Systeme einen Bereich aktueller Forschung. Kern der Erfindung
Überraschenderweise wurde nun festgestellt, dass exzitonische Kohärenzen, d.h. die durch resonante Anregung erzeugte optische Polarisation mit einer strikten s- Typ Radialsymmetrie, effektiv in inkohärente p-Typ-Populationen umgewandelt werden. Die Untersuchungen zeigen, dass dieses Ergebnis durch Coulomb- Wechselwirkung induzierte Streuung verursacht wird.
Für diese Streuung wurde gefunden, dass sogar eine Besetzungs- (Populations-) Inversion (im Vergleich zum Gleichgewichtszustand) zwischen dem exzitonischen 2p- und 1s-Zustand und/oder weiteren, höheren p und darunter liegenden s- Zuständen entstehen kann, welche zu einer Erzeugung oder/und Verstärkung ei¬ nes Strahlungsfeldes elektro-magnetischer Strahlung führt, wobei die Komponente der Strahlung entsprechend der Energie des Übergangs vom jeweiligen p- zum s- Zustand erzeugt oder/und verstärkt wird.
Um diese neue Art der Erzeugung einer Besetzung von p-Zuständen und damit - aufgrund der Art des genutzten Übergangs von p- auf s-Zustände- einer Beset¬ zungsinversion zwischen einem p und darunter liegendem s-Zustand (z.B. 2p zu 1s) zu erzielen, wurde überraschenderweise gefunden, dass für den Fall der reso- nanten, optischen Anregung des 2s-Zustands, d.h. der Einstrahlung von Licht mit einer Energie entsprechend der 2s-Resonanz (d.h. im Falle eines Halbleiters einer Energie entsprechend der Differenz des 2s-Exzitonen-Zustands und der Ober¬ kante des Valenzbandes) oder/und der entsprechend höheren s-Resonanzen zwar eine optische Polarisation mit s-artiger Symmetrie erzeugt wird, diese aber sehr effizient in p-artige Exzitonenpopulationen umgewandelt wird. Da sich im thermischen Gleichgewicht gar keine bzw. vernachlässigbar wenige Exzitonen im
2p-Zustand befinden, wird bei der Durchführung des Verfahrens zur Erzeugung einer Besetzung in einem exzitonen Zustand (optische Anregung mit einer Energie entsprechend der 2s- oder höheren s-Resonanz) auch eine Besetzung des 2p- oder höheren p-Zustands und damit somit auch ein Verfahren zur Erzeugung einer Besetzungsinversion durchgeführt.
Dabei wurde festgestellt, dass das Verfahren auch bei Anregung mit höheren Energien etwa dem 1 ,5 bis zweifachen der Exzitonenbindungsenergie (welche der Bindungsenergie des 1s-Zustand entspricht) oberhalb der 2s oder einer entspre- chen höheren s-Resonanz prinzipiell greift, jedoch deutlich geringere Ausbeuten im Sinne einer Erzielung einer Besetzungsinversion im Verhältnis eines 2p zu 1s oder 3p zu 1 s etc. aufweist.
Zur Durchführung des Verfahrens, wird das ausgewählte Material, welches zur Ausbildung von Exzitonen geeignet ist, einer optischen Anregung ausgesetzt [Schritt 1 , optische Anregung, in Fig. 6], so dass eine optische Polarisation mit 2s- artiger Symmetrie induziert wird, was durch einfache Bestrahlung mit der Energie entsprechend der 2s-Resonanz erreicht wird. Durch Coulombwechselwirkungsef¬ fekte, welche sich dann zwangsläufig einstellen, wird diese s-artige Polarisation zum Teil in eine 2p-artige Population umgewandelt. [Schritt 2, Coulomb Streuung]. Dieses erfindungsgemäße Verfahren führt auch bei Anregung bei der 3s- oder 4s- Resonanz zu Besetzungen und damit gegenüber dem Gleichgewichtszustand und gegenüber dem 1s-Zustand oder 2s-Zustand oder beiden zu einer Besetzungsin¬ version. Ausserdem muss die Anregung nicht exakt bei der 2s-Resonanz stattfinden, son¬ dern sie kann bis zu dem zweifachen der Exzitonenbindungsenergie verstimmt sein. Bei zu grosser Verstimmung (nichtresonanter Anregung) funktioniert der Me¬ chanismus allerdings nicht, da eine Umwandlung der optischen Anregung nicht direkt in Exzitonen, sondern in ungebundene Elektronen und Löcher erfolgt. Durch spontane Emission oder stimulierte Emission mit Strahlung der entspre¬ chenden Differenz der 2p-1s- oder 3p-1s-, etc. Zustände kann diese Besetzung dann unter Emission entsprechender elektro-magnetischer Strahlung wieder in den 1s Zustand abgebaut werden [Schritt 3, Emission von THz Strahlung]. Durch spontane Rekombination der Elektronen-Loch-Paare des Materials können die Ladungsträgerdichten wieder abgebaut werden und damit auch die gebunde¬ nen Elektronen-Loch-Paare (Exzitonen) [Schritt 4, Rekombination]. Da die erfindungsgemäße Anregung in den 2s-Zustand bei geeigneter Wahl der Anregungsintensitäten nur unwesentlich zur Besetzung des 1s-Zustands führt und da Besetzungen im 1 s-Exzitonen-Zustand in einem Zeitraum von nano-Sekunden zerfallen, während der Übergang vom 2s in den 2p-Exzitonen-Zustand (wie oben beschrieben), schneller, d.h. im Bereich von pico bis femtosekunden stattfindet, kann eine bedeutende Inversion in p-Exzitonenzuständen erzielt werden. Für die Erzeugung von Exzitonen, z.B. in Halbleitern durch das Verfahren mit nicht resonanter Anregung von Landungsträgern ins Leitungsband und die nachfolgen¬ den Streuvorgänge wurden in der Literatur Zeiten von 20 ps bis zu mehreren hun¬ dert Picosekunden angegeben. Ausserdem kann nicht erwartet werden, dass in diesem Falle nennenswerte Besetzungen der p-Zustände erfolgen, so dass keine Besetzungsinversion zwischen p-artigen und s-artigen Zuständen erzeugt werden kann.
Diese Ergebnisse gelten für alle Materialien, unabhängig vom Aggregatzustand, sofern diese zur Ausbildung von Zuständen gebundener Exzitonen in der Lage sind, insbesondere für halbleitende Materialien (direkte oder indirekte Halbleiter), zu denen z.B. auch manche organische Systeme, wie z.B. Polymere oder Gase bei tiefen Temperaturen zählen.
Aufgrund des allgemeinen Verständnisses und der vorhandenen Vorurteile wäre zu erwarten gewesen, dass die exzitonische Polarisation bei den 1s- oder 2s- (oder höheren s-) Resonanzen rein in inkohärente s-Typ-Populationen gewandelt werden. Man hätte zur Erzeugung der 2p- oder einer Population in einem höheren p-Exzitonen-Zustand auch versuchen können mittels zwei-Photonenabsorption direkt in diesen Zustand anzuregen, was aber, -wie oben dargestellt- aufgrund der dazu notwendigen Lichtenergien nur sehr schwierig möglich ist und dem Vorteil, der Einfachheit des hier besprochenen Prinzips widerspricht.
Im Folgenden werden die der Erfindung zu Grunde liegenden Untersuchungen dargestellt.
Bei Untersuchungen, die THz- oder exzitonischen Eigenschaften von resonant- angeregten Halbleitern zu analysieren, wurde der Aufbau von Exziton- Populationen in verschiedenen Quanten-Zuständen beobachtet. Zur Untersuchung diente dabei eine Quantum-Wire Struktur, wobei die wesentli¬ chen Resultate auch für eine Quantum-Well Struktur bestätigt werden konnten. Als Material wurde GaAs betrachtet, wobei die Abmessungen so gewählt wurden, dass der Energieabstand zwischen den beiden niedrigsten Exzitonen-Zuständen
5 meV beträgt. Die Gittertemperatur wurde bei ca. 10 K festgelegt, so dass nur ein Einfluss akustischer Phononen zu erwarten ist. Um die Bildung von inkohärenten Exzitonen in den verschiedenen Quanten- Zuständen zu untersuchen, wurden die betrachteten Halbleiterstrukturen bei einer einer optischen Anregung, entsprechend einer Dauer von 4ps, gepulst und ent¬ sprechend einer Energie der 1s- und 2s-Resonanzen, untersucht. Die Untersu- chungen wurden für verschiedene Anregungs- oder „Pump"-Intensitäten wieder¬ holt und jeweils die endgültige quasi-stationäre Exzitonen-Fraktion Δnv/n mit nv = Dichte der Exzitonen im Zustand v = 1s, 2s, .. und n = Wert der erzeugten (La- dungs-)Trägerdichte dargestellt.
Die Ergebnisse dazu sind in den Figuren 3 bis 5 dargestellt.
Fig. 3 (a): Für eine Anregung bei der 1 s-Exzitonenresonanz mit Hilfe eines 4ps- Laserimpulses (Strich-Punkt-Linie) werden gezeigt: die temporäre Entwicklung der optisch erzeugten Polarisation [P]2 (schattierter Bereich), zusammen mit der er¬ zeugten inkohärenten 1s- (gestrichelte Linie) und 2p- (durchgezogene Linie) Ex- zitonendichte [10"4 cm'1]. Das kleinere in Fig. 3a eingefügte Diagramm zeigt das Pumpen (schattierter Bereich) und das lineare Absorptionsspektrum (durchgezo¬ gene Linie); Eu ist die 1s-Exzitonen-Energie.
Fig. 3 (b): Die Effizienz der Umwandlung der Polarisation zur Population für 1s- (gestrichelte Linie) und 2p-Exzitonen (durchgezogene Linie) ist als Funktion der Anregungsdichte n (in 104 cm'1) eingezeichnet. Der Pfeil zeigt die Dichte bei wel¬ cher die Dynamik in 2 (a) dargestellt wird. Der schattierte Bereich gibt die Um¬ wandlungseffizienz ohne die Phononen-Streuung wieder.
In Fig. 3a wird der zeitliche Verlauf des Pump-Impulses, der induzierten optischen Polarisierung und der erzeugten 1s und 2p-Exzitonen-Dichte dargestellt. Fig. 2b stellt den relativen Anteil der Exzitonen in verschiedenen Quantenzuständen dar, wobei -nach dem bisherigen Stand der Erkenntnisse nicht verwunderlich- festzu¬ stellen ist, dass für die 1s-Anregung die optische Polarisierung hauptsächlich in inkohärente 1s-Exzitonen umgewandelt wird. Der Anteil Δnis/n liegt für geringe An- rechungsdichten n weit oberhalb von 90%. Dieser große Anteil war zu erwarten, da kohärente und inkohärente 1s-Exzitonen einen exzellenten energetischen
„Match" aufweisen. Allerdings ist auch festzuhalten, dass die generierte Exzito- nenpopulation bei moderaten Anregungsdichten oberhalb 105 cm"1 abnimmt; Δnis/n ist dort nur noch 40%. Für höhere Anregungsdichten verschwindet Δnis/n, da die Exzitonen „ionisieren".
Die Ergebnisse für resonante 2s-Anregung werden in Fig. 4a, b, c gezeigt, wo in der Fig. 4c die Verhältnisse Δn2s/n, Δn2p/n und Δnis/n darstellt werden. Für nicht zu hohe Anregungsdichten n ist festzustellen, dass die 2s-Polarisation in einen Mix aus 2s und 2p-Populationen umgewandelt wird. Während der Wert der 2s- Population mit ansteigender Anregungsdichte monoton abfällt, wächst der Wert der 2p-Population zunächst bis zu 40%, bevor er auch bei höheren Anregungs¬ dichten abfällt, wo die Erzeugung von 1s-Exzitonen graduell Bedeutung erlangt (gestrichelte Linie in 4c).
Durch Untersuchung der Dynamik der Bildung der Populationen, d.h. durch Be¬ strahlung des Testsystems entsprechend einem 150 fs THz-PuIs konnte festge¬ stellt werden, dass für kurze Zeiten (Betrachtungszeit bis ca. 11 ps) nach der An¬ regung im Wesentlichen nur eine THz-Absorption mit einem Maximum um den 1s- 2p-Übergang bildet, wenn die 1s-Resonanz optisch angeregt wird. Diese Ergeb¬ nisse wurden auch schon in [5] experimentell bestätigt.
Bei Anregung in der 2s-Resonanz konnte jedoch festgestellt werden, dass anfäng¬ lich für sehr kurze Zeit nach der Anregung im Wesentlichen nur 2s-Exzitonen vor¬ liegen (siehe Figur 4a), so dass nur Absorptionsübergänge vom 2s- in höhere Zu- stände vorliegen, wobei sich aber nach ca. 3 ps bereits inkohärente 2p-Exzitonen gebildet haben und sich damit ein deutlicher THz-Gain durch 2p zu 1s-Übergänge, als Konsequenz der Besetzungsinversion zwischen diesen beiden Zuständen, ausbildet. Durch davon unabhängige Berechnungen konnte ermittelt werden, dass für das Testsystem „Quantum-Wire" ein Verhältnis der 2s zu 2p-Population von ca. 1 ,36 und für das Testsystem „Quantum-Well" ein Verhältnis von 0.99 erzielt wer¬ den kann. Im thermischen Gleichgewicht befinden sich bei den untersuchten Temperaturen praktisch keine Exzitonen im 2p-Zustand, so dass der Quotient dann unendlich wäre. D.h. für die Test-Systeme „Quantum-Well" und „Quantum- Wire" kann davon ausgegangen werden, dass durch das erfindungsgemäße Ver- fahren, angewendet auf die 2s-Resonanz, eine Besetzungsinversion erzeugt wer¬ den kann, bei der im 2p-Zustand etwa genauso viele, oder sogar mehr Exzitonen vorhanden sind, wie im 2s-Zustand. Diese Verfahren zur Besetzung von Exzitonen-p-Zuständen und zur Erzeugung einer Besetzungsinversion, ist generell anwendbar bei Materialien oder Gemi¬ schen davon oder Systemen, welche die Bildung von Exzitonen (oder Exzitonen- Zuständen) erlauben, insbesondere bei Halbleitern, zu denen aber auch manche organische Polymersysteme zu zählen sind. Aufgrund der Art der Erzeugung der Besetzung der p-Zustände, d.h. aufgrund der Tatsache, dass dabei auch im gerin¬ geren Maße s-Zustände besetzt werden, ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines 2p- oder höheren p-Zustands auch geeignet und nach dem vor¬ geschriebenen Stand der Technik neu und erfinderisch, wenn es als Verfahrens zur gleichzeitigen Besetzung von s- und zugeordneten p-Zuständen betrachtet wird. Die Begründung für die Neuheit und erfinderische Tätigkeit des Verfahrens ist dabei die gleiche, wie für das erfindungsgemäße Verfahren zur Besetzung von Exzitonen-p-Zuständen, da -wie das vorgenannte Verfahren- kein Verfahren be¬ kannt ist, bei welchem im Wesentlichen zeitlich parallel eine Besetzung eines s- und des zugeordneten p-Zustands erzeugt wird.
Dabei ist natürlich zu beachten, dass die erfindungsgemäßen Verfahren am wir¬ kungsvollsten greift, wenn relativ scharfe, spektral gut ausgebildete exzitonische Resonanzen oder exzitonische Energiezustände vorliegen, was z.B. durch ent¬ sprechende Kühlung oder andere, z.B. aus der Spektroskopie bekannte Mass- nahmen leicht erreicht werden kann.
Die Fig. 5 a, b, c zeigt das Ausmass der durch das Verfahren erzielbaren Beset¬ zungsinversion („THz-Gain vs. Detuning") in Abhängigkeit von der „Verstimmung" der Anregung in die 2s-Exzitonen-Resonanz in Einheiten von EB, d.h. der Exzito- nenbindungsenergie (d.h. der 1s-Exzitonen-Bindungsenergie) des untersuchten Testsystems.
Die Fig. 5a (oben links) zeigt, dass die Besetzungsinversion (2p zu 1s) bei einem Detuning (E - E2S )/EB von Null (d.h. bei exakter Resonanz) optimal, d.h. bei einem Wert von über 0.5 liegt (siehe y-Achse für Einheit) und bei einem Wert von E = 1.5 x EB nahezu Null ist.
Die Fig. 5b (oben rechts) zeigt die Effektivität der Erzeugung von Ladungsträgern als Funktion der Verstimmung. D.h. es ist direkt proportional zu dem Absorptions¬ spektrum des untersuchten Testsystems. Diese Ergebnisse sind aber auch -insbesondere was die Begrenzung des Wertes in welchem das Verfahren noch funktioniert, d.h. bei Anregung mit einer Verstim¬ mung mit dem 1- bis zum 2-fachen der 2s-Exzitonen-Bindungsenergie auch- auf andere Systeme oder Materialien übertragbar. Fig. 5c zeigt die Höhe der Besetzungsinversion „THz-Gain" in willkürlichen Ein¬ heiten ("arbitrary units") für das untersuchte Testsystem (Quantum-Wire ). Diese Darstellung ist vorteilhaft, da der absolute Gain von Dingen abhängt wie z.B. der Anzahl der Quantenfilme (bei einem 2D-System), der Anregungsintensität etc.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele werden in den folgenden und den folgenden Textabschnitten - ohne abschließend zu sein - beschrieben.
Es zeigen schematisch:
Fig. 1 : die Anregung und Entstehung von Exzitonen in einem Halbleiter oder einer Halbleiter-Quantenstruktur,
Fig. 2: das Energieschema eines Exzitons
Fig. 3: die Ergebnisse der Untersuchungen an GaAs Quantenstrukturen
(Quatum-Wire) bei Anregung in der 1 s-Exzitonen-Resonanz, Fig. 4: wie Fig. 3, jedoch bei Anregung in der 2s-Exzitonen-Resonanz Fig. 5: Besetzungsinversion (links oben), erzeugte Anregungsdichte
(rechts oben) und THz Gain (unten) als Funktion der Verstimmung des Anregungslasers in Bezug auf die 2s-Exzitonenresonanz.
Fig. 6: Das Niveauschema eines „exzitonischen THz-Lasers" oder -Ver¬ stärkers Fig. 7: einen prinzipiellen Aufbau eines „exzitonischen THz Verstärkers "
Fig. 8: einen prinzipiellen Aufbau eines „exzitonischen THz Laserss"
Die Bezeichnung „exzitonischer Emitter" (Verstärker oder Laser) wird im Folgen¬ den verwendet, um einerseits eine begriffliche Abgrenzung zu einem „exzitoni- sehen Laser", welcher nach allgemeinem Verständnis ausschließlich Energien liefert, welcher einer Rekombination der Exzitonen entspricht und andererseits ei¬ ne kürzere Begrifflichkeit für einen Frequenzbereich zu finden, welcher den her- stellbaren Energiedifferenzen zweier Exzitonenzustände entspricht (siehe Defini- ton „THz" weiter oben).
Die Fig. 1 bis Fig. 5 wurden in den obigen Texteilen bereits beschrieben. Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemäße Erzeugung einer Besetzungsinversion und den Laser- bzw. Verstärkerprozess in exzitonischen Energiezuständen. Fig. 7 zeigt schematisch die prinzipielle Konfiguration für einen exzitonischen THz Verstärker. Dabei wird die zu verstärkende elektromagnetische Strahlung im THz- Bereich in der von den Laser-Halbleiterdioden bekannten Art und Weise in das Halbleitermaterial eingestrahlt, wobei durch die zwischen den gewünschten Zu¬ ständen erzeugte Besetzungsinversion dann eine Verstärkung durch stimulierte Emission genau der Komponente der eingestrahlten Strahlung erfolgt, welche der Energiedifferenz der erzeugten Besetzungsinversion entspricht. Entsprechend be¬ kannte optische Komponenten wie Linsen aus Silizium können genutzt werden, um die emittierte Strahlung dann zu bündeln oder in bekannter Weise weiter zu behandeln.
Fig. 8 zeigt die schematische Konfiguration eines exzitonischen THz Lasers. Dabei wird die „Pumpleistung" in Form von optischer Energie in gepulster oder cw- Form in bekannter Art und Weise in eine durch zwei Reflektoren (z.B. aus Alumi- nium oder Gold) angedeutete Kavität eingestrahlt. Zur Erzeugung des „Lasing" ist dann in bekannter Weise die Pumpleistung auf die Durchlässigkeit des einen aus¬ koppelnden Spiegels (Teildurchlässig im Bereich von typisch 2-3% oder mehr) und auf die sonstigen Energieverluste einzustellen. Alternativ kann die Kavität auch durch entsprechende Bearbeitung oder Beschichtung der Oberflächen des „akti- ven Materials" (Halbleiter etc.) gebildet werden. Die Abmessungen der Kavität (Abstand der Reflektoren) oder Abstand der Oberflächen des aktiven Materials sind entsprechend den gewünschten Moden oder Wellenlängen in der von den Laserdioden bekannten Weise zu wählen.
Wie dem Fachmann unmittelbar einsichtig, wenigstens aber aus dem Bereich der bekannten Halbleiteremitter oder Laserdioden bekannt ist, kann dieser Laser im cw- (continuous wave) oder im gepulsten Modus betrieben werden. Dabei wird bei diesem Laser durch Pumpen nahe der 2s-Resoanz eine Besetzung von 2p- Exzitonen [Schritt (1 ) und (2)] erzeugt.
Durch geeignete Spiegel (z.B. Aluminium oder Gold) für den entsprechenden Fre¬ quenzbereich der Übergänge zwischen den Exzitonen-Zuständen lässt sich eine Kavität bauen, in welcher bei ausreichenden Pumpleistungen in Abhängigkeit von den Übergangsdauern, Verlusten der Spiegel und der sonstigen für gewöhnliche Licht-Laser bekannten Randbedingungen, eine stimulierte Emission elektroma¬ gnetischer Strahlung der entsprechenden Übergänge zwischen Exzitonenzustän- den entsprechend der passend zu wählenden Geometrie erzielen.
In einem vorteilhaften -nicht dargestellten- Ausführungsbeispiel für einen „Exzito- nischen THz Laser" ist als aktives Material für die Erzeugung von elektro¬ magnetischer Strahlung im Bereich der Exzitonen-Zustände die Verwendung von Halbleitern vorgesehen. Aufgrund der höheren Wahrscheinlichkeit des Übergangs eines Ladungsträgers ins Leitungsband durch Anregung mit elektromagnetischer Strahlung ist als weite¬ res Ausführungsbeispiel für einen „exzitonischen THz Laser" die Verwendung von direkten Halbleitern besonders bevorzugt.
Wie dem Fachmann bekannt ist lässt sich aber auch für indirekte Halbleiter, wie Germanium, Silizium und Galliumphosphid (GaP) etc., die Ausbeute für Übergän¬ ge nach Anregung -allerdings mit mehr Aufwand- erhöhen, wenn bei geeigneter Dotierung die Übergänge von oder in Störstellen erfolgen. Für die technisch ge¬ nutzten Halbleitermaterialien sind strahlende Übergänge unter Beteiligung von Störstellen wichtig. Solche Störstellen werden durch Dotierung, z.B. mit so ge¬ nannten Donatoren und Akzeptoren erzielt. Bis auf wenige Ausnahmen bestehen bekanntlich die meisten Lumineszenzdioden aus AmBv - Halbleitern oder -Verbin¬ dungen, wie z.B. GaAs1 wobei die entsprechenden Dioden elektromagnetische Strahlung im Infrarot-Bereich emittieren. Bei GaAs entstehen durch Silizium- Dotierung bei Substitution auf Galliumplätzen Donatoren, bei Einbau auf Arsen¬ plätzen Akzeptoren.
Eine spezielle Störstellenart entsteht, wenn ein Atom des Wirtsgitters durch ein anderes, das in derselben Gruppe des Periodensystems steht, ersetzt wird. SoI- che Störstellen, die man als „isoelektronisch" bezeichnet, halten Ladungsträger infolge geänderter Abschirmung des Atomkerns fest, während die Bindung von Ladungsträgern an Donatoren und Akzeptoren durch die Coulomb-Kräfte zustan¬ de kommt. Beispielweise bilden Stickstoffatome auf Phosphorplätzen in Galliump- hosphid (GaP) isoelektronische Störstellen mit Akzeptorcharakter. Bekannterweise können sich an isoelektronischen Störstellen auch Exzitonen binden. D.h. auch solche Systeme sind als aktive Medien für das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Emitterelemente geeignet. Durch zweckmäßige Wahl der Dotierungselemente kann damit auch das indirekte Halbleitermaterial Galliump- hosphid (GaP) als aktives Material für die erfindungsgemäßen Emitterelemente verwendet werden.
In einem weiteren vorteilhaften -nicht dargestellten- Ausführungsbeispiel für einen „exzitonischen THz Laser" ist als aktives Material für die Erzeugung von elektro- magnetischer Strahlung im Bereich der Exzitonen-Zustände die Verwendung von nanostrukturierten Materialien, bevorzugt von Halbleitern und ganz besonders be¬ vorzugt in Form von quasi-zweidimensionalen Quantenfilmen ausgebildet vorge¬ sehen. Damit lassen sich schärfer ausgeprägte Exzitonenresonanzen und damit höhere Besetzungsinversionen erzielen, als mit Volumenhalbleitern.
In einem weiteren vorteilhaften -nicht dargestellten- Ausführungsbeispiel für einen „exzitonischen THz Laser" ist als aktives Material für die Erzeugung von elektro¬ magnetischer Strahlung im Bereich der Exzitonen-Zustände die Verwendung von solchen Materialien vorgesehen, welche unter dem Einfluss von Temperatur- Schwankungen oder/und Druckschwankungen eine Variation der Abstände der Exzitonen-Zustände aufweisen. Solche Materialien sind z.B. alle bekannten Mate¬ rialien mit Exzitonenresonanzen. Damit lassen sich dann in der Wellenlänge ein¬ stellbare „exzitonische THz Laser" herstellen.
In einem weiteren vorteilhaften -nicht dargestellten- Ausführungsbeispiel für einen „exzitonischen THz Laser" ist zur Verschiebung der Exzitonenenergie, d.h. der Ex- zitonenresonanz eine Kühlung vorgesehen, so dass auch das 2-s-Zustandsniveau abgesenkt wird, sich jedoch die Energiedifferenzen zwischen den Exzitonenzu- ständen nicht verändern.
Weiterhin hat die Kühlung den Effekt Rauscheffekte, z.B. durch ungewollte Gitter¬ schwingungen erzeugt, zu unterdrücken.
In einem weiteren vorteilhaften -nicht dargestellten- Ausführungsbeispiel für einen „exzitonischen THz Laser" ist zur Erhöhung der Abgabe elektromagnetischer Energie eine Steuerung oder/und Regelung vorgesehen, welche den Laser über eine gewisse Dauer unter der „Lasing"-Schwelle" hält um dann diese zu Über- schreiten und -zumindest für eine kurze Dauer- eine sehr hohe stimulierte Emis¬ sion zu erreichen.
In einem weiteren vorteilhaften -nicht dargestellten- Ausführungsbeispiel ist vor¬ gesehen, das erfindungsgemäße Verfahren in einer Oszillator-Konfiguration, etwa zur Etablierung eines Zeitmessystems anzuwenden, wie dem Fachmann aus an¬ deren optischen oder elektromagnetischen Systemen bekannt, mindestens jedoch aus der US 2,879,439 bekannt.
Es ist dem Fachmann unmittelbar ersichtlich, dass sich aus den vorgenannten Ausführungsbeispielen zu erfindungsgemäßen „exzitonischen THz Lasern" durch einfaches Anwenden fachmännischen Wissens „exzitonische THz Verstärker" und damit allgemein „exzitonische Emitterelemente" realisieren lassen (siehe Figur 7), wobei -wie dem Fachmann bekannt- nur darauf zu achten ist, dass zwar eine ex¬ zitonische Inversion, wie oben beschrieben, erzeugt werden muss, jedoch ohne dass man das Material in eine Kavität einbringt.
[Bezugszeichenliste]
1 Aktives Medium
2 Pumpmittel zur Erzeugung von Exzitonen
3 Spiegel
4 Elemente der Kavität (des Resonators)
[Literaturverzeichnis]
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Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Besetzung in mindestens einem Exzitonen- p-Zustand (d.h. Energiezustand, gebundener Elektron-Loch-Paare) gekennzeich¬ net durch die folgenden prinzipiellen Verfahrensschritte: a) Bereitstellen eines oder mehrerer Materialien, oder eines Materialgemisches, oder eines Materials oder Materialsystems geeigneter Morphologie oder Struktu¬ rierung, welches exzitonische Zustände ausbilden kann oder können, b) Aussetzung dieses Materials oder dieser Materialien oder des Gemisches einer optischen Anregung mit einem energetischen Wert, welcher im Bereich eines Wertes liegt, welcher der Energie der 2s-Exzitonen-Resonanz oder einer höheren s-typischen Zustands-Resonanz entspricht, bis hin zu einem Wert, welcher der Summe der Beträge der 2s- oder höheren Exzitonen-Resonanz und dem 2-fachen der Exzitonenbindungsenergie (gleich der 1s-Exzitonenbindungsenergie) des je¬ weiligen Materials im jeweils vorliegenden Zustand entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet ist, dass als Anre¬ gungsenergie in Schritt b) ein Wert gewählt wird, welcher dem Betrag nach einem Wert der 2s- oder der gewählten höheren s-Exzitonen-Resonanz bis hin zum 1.5- fachen, bevorzugt bis zum 1 -fachen, besonders bevorzugt bis zum 0.5-fachen und ganz besonders bevorzugt bis zum 0.25-fachen der Exzitonenbindungsenergie entspricht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet ist, dass die An¬ regung parallel mit einem Energiewert entsprechend der 2s- und mit mindestens einem weiteren Energiewert, welcher einer höheren s-Exzitonen-Resonanz ent¬ spricht erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet ist, dass die An¬ regung gepulst oder kontinuierlich, oder im Falle des Verfahrens gemäß Anspruch 3 für je mindestens eine Exzitonen-Resonanz gepulst und kontinuierlich erfolgt.
5. Verfahren zur Herstellung einer Besetzungsinversion im Vergleich zum Gleichgewichtszustand zwischen zwei energetisch beabstandeten Exzitonen- Zuständen dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren gemäß den Verfahren der Ansprüche 1 bis 4 durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet ist, dass die Anre¬ gungsintensität im Hinblick auf die Wandlung von s- in p-Exzitonen durch Variation der Anregungsintensität (d.h. Photonen pro Zeit-, oder Volumen- oder Flächenein¬ heit des verwendeten Materials) optimiert durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet ist, dass Verfah¬ ren zur Herbeiführung der Änderung der Abstände der Exzitonen-Zustände oder der Exzitonen-Bindungsenergie unter gleichzeitiger temporärer oder permanenter oder permanent wiederholter Ausübung von Druck- oder Temperatur-Änderungen oder -Schwankungen auf das verwendete Material, durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet ist, dass das Ausmaß der erzielten Besetzung oder/und Besetzungsinversion während der Durchführung des Verfahrens durch Einstrahlung von elektromagnetischer Strah- lung entsprechend dem Energieabstand der zu betrachtenden Exzitonenzustände überwacht wird, wobei das Ausmaß anhand der Ermittlung der absorbierten oder emittierten elektromagnetischen Strahlung kontrolliert wird.
9. Verfahren zur Herstellung einer im Wesentlichen gleichzeitigen Besetzung in einem 2s oder höherem s-Zustand und dem jeweils zugehörigen 2p- oder höhe¬ rem p-Zustand dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren gemäß den Verfah¬ ren der Ansprüche 1 bis 8 durchgeführt wird.
10. Verfahren zur Herstellung einer Besetzungsinversion im Vergleich zum Gleichgewichtszustand zwischen zwei energetisch beabstandeten Exzitonen-
Zuständen oder zur Erhöhung der Besetzung eines 2p oder höheren p-Exzitonen- Zustands oder zur Herstellung einer im Wesentlichen gleichzeitigen Besetzung eine 2s und 2p oder höheren s- und zugeordneten p-Zustands dadurch gekenn- zeichnet, dass das Verfahren gemäß den Verfahren der Ansprüche 1 bis 9 durch¬ geführt wird, wobei im Schritt a) eine oder mehrere Materialien, oder ein Material¬ gemisch, oder ein Material oder Materialsystem geeigneter Morphologie oder Strukturierung bereitgestellt wird, welches bereits eine Besetzung mindestens ei- nes, zweier oder mehrerer exzitonischer Zustände aufweist.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 , aufweisend ein oder mehrere Materialien, oder ein Materialgemisch, oder ein Material oder Materialsystem geeigneter Morphologie oder Strukturierung, in dem exzitonische Zustände ausgebildet sind oder in dem exzitonische Zustände ausbildbar sind oder in dem bereits exzitonische Zustände besetzt sind (im Folgenden Aktives Material genannt), sowie aufweisend Mittel zur gepulsten oder permanenten Ab¬ gabe elektromagnetischer Strahlung (im Folgenden Pumpmittel genannt) auf das vorgenannte aktive Material, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpmittel geeig- net zur Abgabe elektromagnetischer Strahlung im Bereich der 2s- oder höheren s- Exzitonen-Resonanz bis zum 2fachen, bevorzugt bis zum 1.5fachen, ganz beson¬ ders bevorzugt bis zum 1.25fachen des Wertes der Exzitonenbindungsenergie oberhalb der 2s- oder höheren s-Exzitonen-Resonanz, ausgeführt sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Pump¬ mittel geeignet zur gleichzeitigen Abgabe von elektromagnetischer Strahlung bei 2 oder mehr verschiedenen Wellenlängen auf das aktive Material, entsprechend 2 oder mehr Werten im Bereich der 2s- oder höheren s-Exzitonen-Resonanz bis zum 2fachen, bevorzugt bis zum 1.5fachen, ganz besonders bevorzugt bis zum 1.25fachen des Wertes der Exzitonenbindungsenergie oberhalb der 2s- oder hö¬ heren s-Exzitonen-Resonanz ausgeführt sind.
13. Exzitonischer THz- Verstärker, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstär¬ ker geeignet zur Durchführung der Verfahren gemäß den Ansprüchen 5 bis 10 ausgeführt ist, wobei der Verstärker ferner aufweist, ein oder mehrere Materialien, oder ein Materialgemisch, oder ein Material oder Materialsystem geeigneter Mor¬ phologie oder Strukturierung, in dem exzitonische Zustände ausgebildet sind oder in dem exzitonische Zustände ausbildbar sind oder in dem bereits exzitonische Zustände besetzt sind (im Folgenden Aktives Material genannt), sowie aufweisend Mittel zur gepulsten oder permanenten Abgabe elektromagnetischer Strahlung (im Folgenden Pumpmittel genannt) auf das vorgenannte aktive Material und die Pumpmittel geeignet zur Abgabe elektromagnetischer Strahlung im Bereich der 2s- oder höheren s-Exzitonen-Resonanz bis zum 2fachen, bevorzugt bis zum 1.5fachen, ganz besonders bevorzugt bis zum 1.25fachen des Wertes der Exzito- nenbindungsenergie oberhalb der 2s- oder höheren s-Exzitonen-Resonanz, aus¬ geführt sind, wobei das aktive Material oder eine vorgesehene Umfassung des ak¬ tiven Materials geeignet zur Einstrahlung und Ausstrahlung der durch spontane und stimulierte Emission zu verstärkenden elektromagnetischen Strahlung aus¬ geführt ist.
14. Exzitonischer THz-Laser, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser einen Verstärker gemäß Anspruch 13 umfasst und ferner eine Resonatoranordnung, z.B. in Form einer Kavität aufweist, wobei der Resonator und die dem Resonator zugeordneten Reflektoren (z.B. aus Aluminium oder Gold bestehend) zur Auf¬ rechterhaltung eines aus Energiedifferenzen der Exzitonen-Zustände durch stimu¬ lierte und spontane Emission entstehenden Laserfeldes, geeignet ausgeführt ist.
15. Exzitonischer THz-Laser nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser zur Erhöhung der Abgabe elektromagnetischer Energie eine Steuerung oder/und Regelung aufweist, welche den Laser über eine gewisse Dauer unter der „Lasing"-Schwelle" halten, um dann diese zu Überschreiten und - für eine kurze Dauer- eine sehr hohe stimulierte Emission zu erreichen.
16. Emitterelement nach Anspruch 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Emitterelement Mittel zur periodischen oder/und permanenten Abgabe von Druck- oder/und Temperaturschwankungen auf das aktive Material aufweist oder zugeordnet sind, um eine Veränderung der emittierten elektromagnetischen Strahlung zu ermöglichen.
17. Verwendung der Verfahren nach Anspruch 1 bis 10 und der Vorrichtungen nach 11 bis 15 im Bereich der medizinischen Bildgebung, Diagnose und Therapie, der DNA-Analyse, der Qualitätssicherung, der Sicherheitstechnik, wie z.B. zur Durchleuchtung von Gespäckstücken, der Spektroskopie und in Kommunikati¬ onsmitteln.
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