Laser na granicy

TU_Logo_PI-Header_neu5

Pojęcie progu laserowego można dobrze zobrazować na przykładzie perforowanego naczynia: dopiero gdy moc pompy jest tak wysoka, że kompensuje straty, dochodzi do emisji światła laserowego. W tak zwanym nanolaserze udało się między innymi dzięki ekstremalnemu zmniejszeniu rozmiarów znacznie obniżyć straty, a co za tym idzie, również próg laserowy. © Prof. Dr. Stephan Reitzenstein

Jak mały i jak energooszczędny może być laser? Poszukiwania najbardziej zaawansowanego nanolaseru dla technologii informacyjnej przyszłości angażują zespoły badawcze na całym świecie.

W ramach międzynarodowej współpracy udało się prof. dr. Stephanu Reitzensteinowi z Instytutu Fizyki Ciała Stałego na TU Berlin i jego partnerom projektowym nie tylko zbudować ekstremalnie mały i wysokoefektywny nanolaser, ale po raz pierwszy również jednoznacznie potwierdzić jego właściwości laserowe poprzez kwantowo-optyczne pomiary statystyki emisji.

„Efektywność energetyczna nie tylko interesuje producentów samochodów elektrycznych, ale jest również tematem w tak zwanej „On-Chip-Photonik”, czyli mikroczipach, na których przesył i przetwarzanie danych coraz bardziej odbywa się na bazie światła”, wyjaśnia prof. Stephan Reitzenstein. „Co wyróżnia przyszłe nanolaserowe rozwiązania, to fakt, że operują one na granicy kwantowej optyki, czyli w zakresie pojedynczych kwantów światła, tzw. fotonów.” W praktyce oznacza to: nie tylko jest to szczególnie trudne do wyprodukowania, ale także głównym wyzwaniem jest jednoznaczne wykazanie emisji laserowej.

Światło laserowe powstaje ogólnie w tzw. rezonatorze optycznym, gdy do medium laserowego w nim umieszczonego dostarczona zostanie wystarczająca ilość energii. Problem polega na tym, że energia ta, tzw. moc pompowania, musi przekroczyć pewien limit – próg lasera – aby medium laserowe emitowało nie tylko światło, ale światło laserowe.

„Dzieje się tak, ponieważ początkowo większość dostarczonej energii jest przekształcana w fotony, które nie trafiają do zamierzonego wiązki laserowej. W zwykłych półprzewodnikowych laserach, takich jak te używane na przykład w każdym odtwarzaczu CD czy DVD, faktycznie tylko każde sto tysięczne foton jest wprowadzane do wiązki laserowej. Pozostałe fotony giną. Dopiero gdy moc pompowania zrównoważy te straty, może powstać światło laserowe”, wyjaśnia prof. Reitzenstein, który porównuje to zjawisko do dziurawego wiadra: „Dziurawe wiadro symbolizuje rezonator. Wąż wodny, którym napełniamy wiadro, jest porównywalny do źródła pompowania, które napełnia rezonator fotonami. Celem jest osiągnięcie w wiadrze określonego poziomu, symbolizującego próg lasera. Jednak przez wiele małych dziur w wiadrze wciąż ucieka woda – tak samo fotony opuszczają rezonator, nie wchodząc do trybu laserowego. Dlatego dopływ wody musi przekraczać pewien limit (ilość wody / czas), aby poziom wody (próg lasera) został osiągnięty. Jeśli chcemy zbudować energooszczędny nanolaser z niskim progiem lasera, rezonator musi być możliwie jak najmniejszy i najgęstszy. W skrajnym przypadku idealnego, bezprogowego nanolaser, można niemal „zapchać wszystkie dziury”, tak aby każdy wprowadzony foton trafiał do trybu laserowego.”

Udało się to dzięki ekstremalnemu zmniejszeniu rezonatora. Szerokość badawanego nanolaseru wynosi zaledwie około 200 nm. Dla porównania: średnica ludowego włosa to około 60 000 nm (1 nanometr [1 nm] = 1 milionowa milimetra). „Wysoce precyzyjna struktura rezonatora powoduje, że średnio ponad 7 na 10 dostarczonych fotonów (a nie tylko każde sto tysięczne, jak w zwykłym laserze) jest skutecznie wykorzystywanych do pracy lasera.” Zatem już bardzo zbliżyliśmy się do osiągnięcia granicy idealnego, bezprogowego lasera”, wyjaśnia Stephan Reitzenstein.

Do charakteryzacji nanolaseru użyto wysoko czułych detektorów i skomplikowanych metod analitycznych: w eksperymencie kwantowo-optycznym badana jest statystyka fotonów emitowanego światła, która jest charakterystyczna dla emisji laserowej. Tylko dzięki temu złożonemu układowi udało się po raz pierwszy jednoznacznie wykazać, że światło z nanorezonatora rzeczywiście jest światłem laserowym i nie pełni jedynie funkcji diody świecącej.

„W szczególności demonstrujemy, że ustalone „kryteria lasera” dla nanolaserów tracą na znaczeniu, a światło laserowe można ostatecznie wykazać tylko kwantowo-optycznie”, wyjaśnia Stefan T. Jagsch, doktorant prof. Reitzensteina, który prowadził główne prace eksperymentalne.

Prace te powstały w ramach projektu finansowanego przez DFG i Szwajcarski Narodowy Fundusz (SNF), we ścisłej współpracy z czołowymi grupami w dziedzinie procesowania półprzewodników (prof. Nicolas Grandjean, École Polytechnique Fédérale de Lausanne), teorii nanolaserów (dr Christopher Gies i prof. Frank Jahnke, Uniwersytet w Bremie) oraz charakteryzacji nitrydowych półprzewodników (prof. Axel Hoffmann, TU Berlin). Zostały opublikowane w najnowszym numerze renomowanego czasopisma Open Access Nature Communications.

*Publikacja: S. T. Jagsch, N. Vico Triviño, F. Lohof, G. Callsen, S. Kalinowski, I. M. Rousseau, R. Barzel, J.-F. Carlin, F. Jahnke, R. Butté, C. Gies, A. Hoffmann, N. Grandjean, S. Reitzenstein, „Kwantowo-optyczne badanie cech progowego lasera w wysokim współczynniku β w nanokapsułach nitrydowych”, Nat. Commun. 9, 564 (2018).
DOI:10.1038/s41467-018-02999-2