Lasování na limitu

TU_Logo_PI-Header_neu5

Pojem laserové prahové hodnoty lze dobře ilustrovat na příkladu perforovaného nádoby: Teprve když je napájecí výkon tak vysoký, že kompenzuje ztráty, dochází k emisi laserového světla. U takzvaného nanolaseru se díky extrémní redukci velikosti podařilo výrazně snížit ztráty a tím i laserovou prahovou hodnotu. © Prof. Dr. Stephan Reitzenstein

Jak malý a energeticky efektivní může být laser? Hledání ultimátního nanolaseru pro informační technologie budoucnosti zaměstnává výzkumné skupiny po celém světě.

V rámci mezinárodní spolupráce se prof. Dr. Stephan Reitzenstein z Ústavu pevných látek na TU Berlín a jeho partneři podařilo nejen postavit extrémně malý a vysoce účinný nanolaser, ale poprvé také jednoznačně prokázat jeho lasové vlastnosti pomocí kvantově optického měření emisní statistiky.

„Energetická účinnost zaměstnává nejen výrobce elektromobilů, ale je také tématem v takzvané ‚On-Chip-Photonik‘, tedy mikroprocesorech, na nichž se přenos a zpracování dat stále více odehrává na základě světla,“ vysvětluje prof. Stephan Reitzenstein. „Speciální na budoucích nanolaserových zařízeních je, že operují na přechodu k kvantové optice, tedy v oblasti jednotlivých kvant světla, tzv. fotonů.“ V praxi to znamená: není jen obzvlášť obtížné takové nanolaserové zařízení vyrobit. Hlavní výzvou je také jednoznačně prokázat laserovou emisi.

Laserové světlo vzniká obecně v takzvaném optickém resonátoru, když mu je dodáváno dostatečné množství energie. Problém je: dodaná energie, takzvaný pumpovací výkon, musí překročit určitou mez – práh laseru – aby rezonátor začal emitovat nejen světlo, ale laserové světlo.

„To je způsobeno tím, že nejprve se většina dodané energie přemění na fotony, aniž by se začlenily do zamýšleného laserového paprsku. U běžných polovodičových laserů, například těch v CD nebo DVD přehrávačích, je skutečně jen každé stotisící foton začleněno do laserového paprsku. Všechny ostatní fotony jsou ztraceny. Teprve když pumpovací síla vyrovná tyto ztráty, může vzniknout laserové světlo,“ vysvětluje prof. Reitzenstein, který tento jev rád přirovnává k děravé nádobě: „Děravá nádoba symbolizuje resonátor. Hadice, kterou napouštíme vodu, je srovnatelná s pumpovacím zdrojem, který rezonátor plní fotony. Cílem je dosáhnout v nádobě určitého hladinového stavu, což je symbol pro práh laseru. Přes mnoho malých děr v nádobě však voda stále odtéká – stejně tak fotony opouštějí resonátor, aniž by se začlenily do laserového režimu. Proto musí přívod vody překročit určitou mez (množství vody za čas), aby se hladina vody vůbec dostala na požadovaný úroveň (práh laseru). Pokud má být postaven energeticky efektivní nanolaser s nízkým prahem laseru, musí být resonátor co nejmenší a nejhustší. V krajním případě ultimativního bezprahového nanolaseru se téměř podaří „zastavit všechny děry“, takže každý vložený foton se začlení do laserového režimu.“

To se nyní podařilo díky extrémnímu zmenšení resonátoru. Šířka zde zkoumaného nanolaseru činí pouhých cca 200 nm. Pro srovnání: průměr lidského vlasu je asi 60 000 nm (jeden nanometr [1 nm] = 1 miliontina milimetru). „Vysoce přesná struktura resonátoru vede k tomu, že v průměru je více než 7 z 10 dodaných fotonů (a nejen každé stotisící, jako u běžného laseru) efektivně využitelné pro provoz laseru.“ Tím jsme již velmi blízko k ultimativnímu bezprahovému laseru,“ vysvětluje Stephan Reitzenstein.

Pro charakterizaci nanolaseru byly použity vysoce citlivé detektory a náročné analytické metody: tak se pomocí kvantově optického experimentu stanoví statistika fotonů emitovaného světla, která je charakteristická pro laserovou emisi. Pouze díky této složité konstrukci se poprvé podařilo jednoznačně prokázat, že světlo z nanoresonátoru je skutečně laserové a nefunguje pouze jako svítidlo.

„Zvláště ukazujeme, že zavedené ‚lasové kritéria‘ pro nanolaser ztrácejí na významu a laserové světlo lze nakonec prokázat pouze kvantově opticky,“ vysvětluje Stefan T. Jagsch, který jako doktorand prof. Reitzensteina vedl experimentální práce.

Práce vznikly v rámci projektu financovaného DFG a Švýcarským národním fondem (SNF), v úzké spolupráci s předními skupinami v oblasti polovodičové procesní techniky (Prof. Nicolas Grandjean, École Polytechnique Fédérale de Lausanne), teorie nanolaserů (Dr. Christopher Gies a Prof. Frank Jahnke, Univerzita Bremen) a charakterizace nitridových polovodičů (Prof. Axel Hoffmann, TU Berlin). Byly publikovány v aktuálním vydání renomovaného časopisu Open Access Nature Communications.

*Publikace: S. T. Jagsch, N. Vico Triviño, F. Lohof, G. Callsen, S. Kalinowski, I. M. Rousseau, R. Barzel, J.-F. Carlin, F. Jahnke, R. Buttée, C. Gies, A. Hoffmann, N. Grandjean, S. Reitzenstein, A quantum optical study of thresholdless lasing features in high-β nitride nanobeam cavities, Nat. Commun. 9, 564 (2018).
DOI:10.1038/s41467-018-02999-2