Csúcson lévő lézer

TU_Logo_PI-Header_neu5

A lézerküszöb fogalmát jól szemlélteti egy lyukas edény: csak akkor következik be lézerfény kibocsátása, amikor a pumpálási teljesítmény olyan erős, hogy a veszteségeket túlteljesítik. A úgynevezett nanolézer esetében többek között azzal sikerült jelentősen csökkenteni a veszteségeket és ezáltal a lézerküszöböt, hogy az eszköz méretét rendkívül kicsire csökkentették. © Prof. Dr. Stephan Reitzenstein

Milyen kicsi, milyen energiahatékony lehet egy lézer? A jövő információtechnológiájához szükséges végső nanolaser keresése világszerte kutatócsoportokat foglalkoztat.

Nemzetközi együttműködés keretében Prof. Dr. Stephan Reitzenstein a Berlini Műszaki Egyetem Szilárdtestfizikai Intézetéből és projektpartnerei nemcsak sikerült egy rendkívül kicsi és magas hatékonyságú nanolazert építeniük, hanem elsőként is egyértelműen bizonyították annak lézerjellemzőit kvantumoptikai emisszióstatisztikai mérés révén.

„Az energiahatékonyság nemcsak az elektromos autók gyártóit foglalkoztatja, hanem a „On-Chip-Photonics”, azaz mikrochipek témakörében is, ahol az adatátvitel és -feldolgozás egyre inkább fényalapú”, mondja Prof. Stephan Reitzenstein. „A jövő nanolaserjeinek különlegessége, hogy azok a kvantumoptika határán, azaz az egyes fénykvantumok, az ún. fotonok szintjén működnek.” Ez a gyakorlatban azt jelenti: nemcsak különösen nehéz ilyen nanolaseret gyártani, hanem a lézeremisszió egyértelmű kimutatása is külön kihívás.

A lézerfény általában egy ún. optikai rezonátorban keletkezik, amikor a benne lévő lézermediumnak elegendő energiát adunk. A probléma: a bevitt energia, az ún. pumpálási teljesítmény, egy bizonyos határ – a lézerszint – felett kell legyen, hogy a lézermedium ne csak fényt, hanem lézerfényt bocsásson ki.

„Ez azért van, mert kezdetben a bevitt energia nagy részét fotonokká alakítják anélkül, hogy azok a kívánt lézersugárba kerüljenek. Általános félvezető lézerek esetében, mint amilyenek például minden CD- vagy DVD-lejátszóban megtalálhatók, valójában minden százezredik foton kerül csak a lézersugárba, a többi elveszik. Csak akkor keletkezhet lézerfény, amikor a pumpálási erő ezt a veszteséget kiegyenlíti” – magyarázza Reitzenstein, aki a jelenséget szívesen hasonlítja egy lyukas vödörhöz: „A lyukas vödör a rezonátort szimbolizálja. A vízcső, amellyel a vödröt töltjük, összehasonlítható a pumpáló forrással, amely a rezonátort fotonokkal tölti. A cél, hogy a vödörben elérjük a bizonyos szintet, ami a lézerszintet jelképezi. Sok kis lyukon keresztül azonban mindig folyik ki víz – ugyanígy a fotonok is folyamatosan elhagyják a rezonátort anélkül, hogy a lézermódban lennének. Ezért a vízellátásnak egy bizonyos határt (vízmennyiség/idő) kell meghaladnia, hogy a vízszint elérje a szükséges szintet (lézerszint). Ha egy energiahatékony nanolaser alacsony lézerszinttel épül, a rezonátornak a lehető legkisebbnek és sűrűbbnek kell lennie. A végső, határ nélküli nanolaser esetében szinte minden „lyukat be lehet tömni”, így minden bevitt foton a lézermódba kerül.”

Ez most egy extrém kicsi rezonátor méretcsökkentésével sikerült. A vizsgált nanolaser szélessége mindössze kb. 200 nm. Összehasonlításképpen: egy emberi haj átmérője kb. 60 000 nm (egy nanométer [1 nm] = 1 milliméter egymillióad része). „A rezonátor rendkívül precíz szerkezete miatt átlagosan több mint 7 a bevitt fotonokból (és nem csak minden százezredike, mint egy normál lézer esetében) hatékonyan használható a lézer működtetéséhez” – magyarázza Reitzenstein. „Ezzel már nagyon közel kerültünk a végső, határ nélküli lézerhez”.

A nanolaser jellemzéséhez rendkívül érzékeny detektorokat és összetett elemzési módszereket alkalmaztak: kvantumoptikai kísérlettel mérik a kibocsátott fény fotonstatisztikáját, amely jellemző a lézeremisszióra. Csak e komplex felépítés révén sikerült elsőként egyértelműen bebizonyítani, hogy a nanorezonátor által kibocsátott fény valóban lézerfény, és nem csupán egy fénydióda működik.

„Különösen azt demonstráljuk, hogy a nanolaserekre alkalmazott „lézerszabályok” elveszítik jelentőségüket, és a lézerfény végső soron csak kvantumoptikai módszerekkel bizonyítható” – magyarázza Stefan T. Jagsch, aki Prof. Reitzenstein doktori hallgatójaként vezető szerepet töltött be a kísérleti munkákban.

A kutatások a Német Kutatási Alap (DFG) és a Svájci Nemzeti Kutatási Alap (SNF) támogatásával, szoros együttműködésben készült projekt keretében zajlottak, vezető csoportokkal a félvezetőgyártás (Prof. Nicolas Grandjean, École Polytechnique Fédérale de Lausanne), nanolaser-elmélet (Dr. Christopher Gies és Prof. Frank Jahnke, Egyetemi Bremen) és nitrid félvezetők jellemzése (Prof. Axel Hoffmann, TU Berlin) területén. A kutatások eredményei a neves, nyílt hozzáférésű tudományos folyóirat, a Nature Communications aktuális számában jelentek meg.

*Publikáció: S. T. Jagsch, N. Vico Triviño, F. Lohof, G. Callsen, S. Kalinowski, I. M. Rousseau, R. Barzel, J.-F. Carlin, F. Jahnke, R. Bütée, 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