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Mikrolaser bei Raumtemperatur
Wissenschaftler haben den kleinsten Laser entwickelt, der jemals bei Raumtemperatur betrieben werden kann. Das Gerät ist kleiner als ein Kubikmikrometer – weniger als die Wellenlänge des von ihm emittierten Lichts. Es ist der erste Laser im Subwellenlängenbereich, der ohne kryogene Kühlung auskommt.
Laserpräzision: Die Doktorandin Olesya Bondarenko inspiziert das Sputterdepositionswerkzeug, mit dem eine Aluminiumschicht auf die Subwellenlängen-Mikrolaser aufgebracht wird.
Yeshaiahu Fainman , Leiter der Ultrafast and Nanoscale Optics Group an der University of California in San Diego, die die Arbeit leitete, sagt, dass es möglich sein sollte, die Mikrolaser dicht beieinander zu packen, ohne dass sich die Geräte gegenseitig stören. Dies ebnet unter anderem den Weg für schnellere optische Kommunikationsgeräte, die Laser im Subwellenlängenbereich in dichten Anordnungen verwenden.
Die Forscher modifizierten einen sogenannten Mikroscheiben-Laser. Bei diesem Lasertyp wird eine mikroskopische Scheibe, die verschiedene Materialien enthält, von einem größeren Laser optisch gepumpt. Dadurch wird der Halbleiterkern dazu angeregt, Licht zu emittieren, das an den Rändern der Scheibe abprallt, bevor es freigesetzt wird. Das Hinzufügen von Metall zu dieser Disc kann verhindern, dass sich der Laser in einer Weise verhält, die andere Geräte in unmittelbarer Nähe stören würde. Doch dadurch sinkt die Effizienz des Lasers, und bisher konnte man diesem Leistungsverlust nur entgegenwirken, indem man ihn kryogen mit flüssigem Stickstoff auf etwa 77 Grad Kelvin (-196 Grad Celsius) herunterkühlte, was alles andere als praktikabel ist.
Fainman hat zusammen mit Postdoc Maziar Nezhad und anderen UCSD-Kollegen einen einfacheren Weg gefunden, die Effizienz ihres Lasers zu verbessern und die Notwendigkeit einer Kühlung zu beseitigen. Um eine Laserkavität aus Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid fügten sie eine Schicht aus Siliziumdioxid hinzu, gefolgt von einer Schicht aus Aluminium. Die äußere Metallschicht wirkt wie ein Schild, isoliert den Laser von anderen Geräten und wirkt wie ein hocheffizienter Kühlkörper. Die Siliziumdioxidschicht verhindert, dass das Metall die Gesamteffizienz des Lasers verringert.
Aluminium wurde gewählt, weil es aufgrund seiner optischen Eigenschaften hochreflektierend ist. Aber der Schlüssel zum Funktionieren liegt in der präzisen Kontrolle der Dicke der Siliziumdioxidschicht, die das Metall vom Halbleiterkern trennt, sagt Fainman. Ist die Schicht zu dünn, wechselwirkt die Metallabschirmung zu stark mit dem optischen Feld, was zu hohen Verlusten führt.
Dies ist eine sehr spannende Arbeit und bringt wichtige Fortschritte auf dem neuen Gebiet der Nanolaser, sagt Naomi Halas, Stanley C. Moore Professorin für Elektro- und Computertechnik an der Rice University und Direktorin des Labors für Nanophotonik der Universität. Die Verwendung von Metallschichten und cleveren Designgeometrien hat es dieser Gruppe ermöglicht, Verfeinerungen in diese Strukturen einzubauen, die die Verwendung dieser Geräte in Kommunikationssystemen erweitern werden.
In einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Naturphotonik , zeigt die UCSD-Gruppe, dass ihr Laser bei Raumtemperatur Emissionen mit einer Wellenlänge von 1,43 Mikrometer erzeugen kann. Die Gruppe wurde von der National Science Foundation sowie von der DARPA gefördert Nanoskalige Architekturen für kohärente hyperoptische Quellen Programm.
Theoretisch ließe sich die Effizienz des Lasers noch steigern, indem man andere Metalle mit noch günstigeren optischen Eigenschaften wie Silber oder Gold verwendet, sagt Fainman.
Eine größere Herausforderung besteht darin, die Laser vollständig in optoelektronische Geräte zu integrieren, indem die komplexe optische Pumpe durch eine elektrische ersetzt wird. Elektrisches Pumpen wäre wünschenswerter, weil es viel effizienter ist, sagt Richard De La Rue , Professor für Optoelektronik an der University of Glasgow, Großbritannien.
Neben der Hochgeschwindigkeitskommunikation könnten Subwellenlängenlaser Anwendungen in der biomedizinischen Bildgebung und der optischen Nahfeldmikroskopie finden, sagt Fainman. Im letzteren Fall gebe es Schwierigkeiten beim mechanischen Abtasten von Lasern über eine Oberfläche, sagt er, daher wäre das Ziel, eine Anordnung von Lichtquellen herzustellen, die elektrisch statt mechanisch abgetastet würden.
Halas sagt, die Arbeit sei auch wissenschaftlich wichtig. Sie nutzen ein Regime, bei dem das Resonatordesign die Eigenschaften des Verstärkungsmediums verändern kann, was tatsächlich eine völlig neue Denkweise über Laser einführt, sagt sie.