Lasing am Limit

TU_Logo_PI-Koptekst_nieuw5

De term laserdrempel kan goed worden geïllustreerd met een doorboord vat: pas wanneer het pompproces krachtig genoeg is om de verliezen te compenseren, treedt er laserlichtemissie op. In de zogenaamde nanolaser is het onder andere door de extreme verkleining gelukt om de verliezen en daarmee ook de laserdrempel aanzienlijk te verlagen. © Prof. Dr. Stephan Reitzenstein

Hoe klein, hoe energiezuiniger kan een laser zijn? De zoektocht naar de ultieme nanolaser voor de informatietechnologie van de toekomst houdt wereldwijd onderzoekers bezig.

In het kader van een internationale samenwerking is het Prof. Dr. Stephan Reitzenstein van het Instituut voor Vastestoffysica aan de TU Berlijn en zijn projectpartners niet alleen gelukt om een extreem kleine en hoogefficiënte nanolaser te bouwen, maar ook voor het eerst om de laser-eigenschappen ervan ondubbelzinnig aan te tonen via de kwantumoptische meting van de emissiestatistiek.

„Energie-efficiëntie houdt niet alleen de fabrikanten van elektrische auto's bezig, maar is ook een onderwerp in de zogenaamde ‘On-Chip-Photonics’, dus microchips waarop de gegevensoverdracht en -verwerking steeds meer op basis van licht plaatsvinden“, legt Prof. Stephan Reitzenstein uit. „Het bijzondere aan toekomstige nanolasers is dat deze opereren in de overgang naar de kwantumoptiek, dus in het gebied van individuele lichtquanta, zogenaamde fotonen.“ In de praktijk betekent dit: het is niet alleen bijzonder moeilijk om dergelijke nanolasers te fabriceren. De speciale uitdaging ligt vooral ook in het ondubbelzinnig aantonen van de laseremissie.

Laserlicht ontstaat in het algemeen in een zogenaamde optische resonator wanneer er voldoende energie wordt toegevoerd aan een daarin bevindend lasersysteem. Het probleem: de toegevoerde energie, de zogenaamde pompvermogen, moet een bepaald limiet – de laserdrempel – overschrijden, zodat het lasersysteem niet alleen licht, maar laserlicht uitzendt.

„Dit komt doordat eerst een groot deel van de toegevoerde energie wordt omgezet in fotonen, zonder dat deze in de beoogde laserstraal worden ingebouwd. Bij gewone halfgeleiderlasers, zoals je die bijvoorbeeld in elke CD- of DVD-speler aantreft, wordt daadwerkelijk slechts één op de honderdduizend fotonen in de laserstraal ingebouwd. Alle andere fotonen gaan verloren. Pas wanneer de pompspanning deze verliezen compenseert, kan laserlicht ontstaan“, legt Prof. Reitzenstein uit, die het fenomeen graag vergelijkt met een gatige emmer: „De gatige emmer symboliseert de resonator. De waterslang waarmee we de emmer vullen, is vergelijkbaar met de pompbron die de resonator vult met fotonen. Het doel is om in de emmer een bepaald peil te bereiken, symbool voor de laserdrempel. Door vele kleine gaatjes in de emmer stroomt echter steeds weer water weg – net zoals steeds weer fotonen de resonator verlaten zonder in de lasermodus te worden ingebouwd. Daarom moet de wateraanvoer een bepaald limiet (waterhoeveelheid/tijd) overschrijden, zodat het waterpeil überhaupt het benodigde niveau (laserdrempel) bereikt. Wil men nu een energiezuinige nanolaser bouwen met een lage laserdrempel, dan moet de resonator zo klein en dicht mogelijk zijn. In het uiterste geval van een ultieme drempelloze nanolaser lukt het quasi om alle ‘gaatjes te dichten’, zodat elk ingebracht foton wordt ingebouwd in de lasermodus.“

Dit is nu gelukt door een extreme verkleining van de resonator. De breedte van de hier onderzochte nanolaser bedraagt slechts ca. 200 nm. Ter vergelijking: de diameter van een menselijk haar ligt op ongeveer 60.000 nm (één nanometer [1 nm] = 1 miljoenste millimeter). „De hoogprecieze structuur van de resonator zorgt ervoor dat gemiddeld meer dan 7 van de 10 toegevoerde fotonen (en niet slechts elk honderdduizendste zoals bij een normale laser) effectief kunnen worden gebruikt voor de laserwerking.“ Daarmee zijn we de ultieme drempelloze laser al zeer nabij“, legt Stephan Reitzenstein uit.

Voor de karakterisering van de nanolaser werden hooggevoelige detectors en uitgebreide analysemethoden ingezet: zo wordt met een kwantumoptisch experiment de fotonestatistiek van het uitgezonden licht bepaald, die kenmerkend is voor de laseremissie. Alleen door deze complexe opbouw is het voor het eerst gelukt om ondubbelzinnig te bewijzen dat het licht uit de nanoresonator daadwerkelijk laserlicht is en niet slechts fungeert als een LED.

„In het bijzonder demonstreren we dat gevestigde ‘Lasing-criteria’ voor nanolasers aan belang verliezen en dat laserlicht uiteindelijk alleen kwantumoptisch kan worden aangetoond“, legt Stefan T. Jagsch uit, die als promovendus van Prof. Reitzenstein de experimentele werkzaamheden leidend heeft uitgevoerd. 

Het werk is tot stand gekomen binnen het kader van een door de DFG en de Zwitserse Nationale Wetenschapsfonds (SNF) gefinancierd derdegeldproject, in nauwe samenwerking met leidende groepen op het gebied van halfgeleiderfabricage (Prof. Nicolas Grandjean, École Polytechnique Fédérale de Lausanne), nanolaser-theorie (Dr. Christopher Gies en Prof. Frank Jahnke, Universiteit Bremen) en karakterisering van nitriden-halfgeleiders (Prof. Axel Hoffmann, TU Berlijn). Ze zijn gepubliceerd in de huidige uitgave van het gerenommeerde Open Access vakblad Nature Communications.

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