Laser na granicy

TU_Logo_PI-Header_neu5

Jak mały, jak energooszczędny może być laser? Poszukiwania ostatecznego nanolaseru dla technologii informacyjnej przyszłości zajmują grupy 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 także po raz pierwszy jednoznacznie potwierdzić jego właściwości laserowe poprzez kwantowo-optyczne pomiary statystyki emisji.

„Efektywność energetyczna nie tylko interesuje producentów samochodów elektrycznych, ale jest także tematem tak zwanej ‚On-Chip-Photonik’, czyli mikroczipów, na których przesyłanie i przetwarzanie danych coraz bardziej odbywa się na bazie światła”, wyjaśnia prof. Stephan Reitzenstein. „Co wyróżnia przyszłe nanolaserowe urządzenia, to fakt, że operują one na granicy kwantowej optyki, czyli w obszarze 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 lasera.

Światło laserowe powstaje ogólnie w tzw. rezonatorze optycznym, gdy do medium lasera wewnątrz niego dostarczona zostanie wystarczająca ilość energii. Problem polega na tym, że dostarczona energia, tzw. moc pompy, musi przekroczyć pewien limit – próg lasera – aby medium lasera zaczęło emitować nie tylko światło, ale światło laserowe.

„Dzieje się tak, ponieważ początkowo większość dostarczonej energii jest przekształcana w fotony, które nie są wprowadzane 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 fotonu jest wprowadzane do wiązki laserowej. Wszystkie inne fotony giną. Dopiero gdy moc pompy wyrówna 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 z źródłem pompy, które napełnia rezonator fotonami. Celem jest osiągnięcie w wiadrze pewnego poziomu, symbolizującego próg lasera. Jednak przez wiele małych dziur w wiadrze wciąż ucieka woda – tak samo fotony opuszczają rezonator bez wprowadzenia do trybu laserowego. Dlatego dopływ wody musi przekraczać pewien limit (ilość wody / czas), aby poziom wody osiągnął potrzebny poziom (próg lasera). Jeśli więc chce się zbudować energooszczędny nanolaser z niskim progiem lasera, rezonator musi być możliwie jak najmniejszy i najgęstszy. W skrajnym przypadku ostatecznego, bezprógowego nanolaser, udaje się niemal „zatrzeć wszystkie dziury”, tak aby każdy wprowadzony foton wprowadzał się do trybu laserowego.”

Udało się to teraz dzięki ekstremalnemu zmniejszeniu rezonatora. Szerokość badawanego nanolaseru wynosi zaledwie około 200 nm. Dla porównania: średnica ludowego włosa to około 60 000 nm (jeden 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.” Dzięki temu jesteśmy już bardzo blisko osiągnięcia ostatecznego, bezprógowego lasera”, wyjaśnia Stephan Reitzenstein.

Do charakteryzacji nanolaseru użyto wysoko czułych detektorów i skomplikowanych metod analitycznych: tak w eksperymencie kwantowo-optycznym określa się statystykę fotonów emitowanego światła, która jest charakterystyczna dla emisji laserowej. Tylko dzięki temu złożonemu układowi udało się po raz pierwszy jednoznacznie udowodnić, że światło z nanorezonatora rzeczywiście jest światłem laserowym, a nie tylko diodą świecącą.

„W szczególności pokazujemy, że obowiązujące ‚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 prace eksperymentalne na czele zespołu.

Prace te powstały w ramach projektu finansowanego przez DFG i Szwajcarski Narodowy Fundusz Nauki (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 nitridowych półprzewodników (prof. Axel Hoffmann, TU Berlin). Zostały opublikowane w najnowszym wydaniu renomowanego czasopisma open access Nature Communications.