Lasování na limitu

TU_Logo_PI-Header_neu5

Jak malý a energeticky účinný 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 Institutu pevných látek na TU Berlin a jeho projektoví partneři nejen podařilo postavit extrémně malý a vysoce účinný nanolaser, ale poprvé také jednoznačně prokázat jeho lasové vlastnosti pomocí kvantové optické měření emisní statistiky.

„Energetická účinnost nezajímá jen výrobce elektromobilů, ale je také tématem v takzvané ‚On-Chip-Photonik‘, tedy mikroprocesorech, na nichž je přenos a zpracování dat stále více založeno na světle,“ vysvětluje Prof. Stephan Reitzenstein. „Speciální na budoucích nanolaserů je, že operují na přechodu k kvantové optice, tedy v oblasti jednotlivých fotonů, tzv. kvant světla.“ To v praxi znamená: není jen obzvlášť složité takové nanolaser vyrábět. Hlavní výzvou je také jednoznačně prokázat laserovou emisi vůbec.

Laserové světlo vzniká obecně v takzvaném optickém resonátoru, když je mu v něm umístěnému laserovému prostředí dodáno dostatečné množství energie. Problém: dodaná energie, takzvaný pumpovací výkon, musí překročit určitou hranici – lasovou práh – aby prostředí začalo emitovat nejen světlo, ale laserové světlo.

„To je způsobeno tím, že nejprve se velká část dodané energie přemění na fotony, aniž by se začlenily do zamýšleného laserového paprsku. U běžných polovodičových laserů, například těch v každém CD nebo DVD přehrávači, je skutečně jen každé stotisící fotony začleněno do laserového paprsku. Všechny ostatní fotony se ztrácí. Teprve když pumpovací síla vyrovná tyto ztráty, může vzniknout laserové světlo,“ vysvětluje Prof. Reitzenstein, který tento jev rád přirovnává k děravé kbelíku: „Děravý kbelík symbolizuje resonátor. Hadice, kterou kbelík napouštíme, je srovnatelná s pumpovacím zdrojem, který plní resonátor fotony. Cílem je dosáhnout v kbelíku určité hladiny, což je symbol pro lasovou práh. Přes mnoho malých děr v kbelíku však stále odtéká voda – stejně tak fotony opouštějí resonátor, aniž by se začlenily do laserového režimu. Proto musí přívod vody překročit určitou hranici (množství vody za čas), aby se hladina vody vůbec dostala na požadovanou úroveň (lasová práh). Pokud má být postaven energeticky efektivní nanolaser s nízkou lasovou práh, musí být resonátor co nejmenší a nejhustší. V krajním případě ultimátního bezprahového nanolaseru se prakticky podaří „zastavit všechny děry“, takže každý vložený foton se začlení do laserového režimu.“

To se nyní podařilo díky extrémnímu zmenšení resonátoru. Šířka zkoumaného nanolaseru činí pouhých cca 200 nm. Pro srovnání: průměr lidského vlasu je přibližně 60 000 nm (1 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 laserový provoz.“ Tím jsme již velmi blízko k ultimárnímu bezprahovému laseru,“ vysvětluje Stephan Reitzenstein.

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

„Zvláště ukazujeme, že zavedené ‚lasovací 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), ve spolupráci s předními skupinami v oblasti polovodičové technologie (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 open access časopisu Nature Communications.