Kompakter Laser ohne Spiegel

  • 12. January 2017

Neuartiger, platzsparender Infrarot-Laser aus hauchdünner Halbleitermembran arbeitet mit Hilfe exotischer Resonanzen.

Herkömmliche Laser halten das Licht mit Spiegeln oder periodischen Mikro­strukturen solange in einem Resonator fest, bis in ihm genügend Photonen vorhanden sind und es im Laser­medium in großem Umfang zu stimulierter Emission kommt. Das dann aus dem Resonator entweichende Laserlicht hat eine scharf umrissene Frequenz und hohe Kohärenz. Statt mit Spiegeln oder optischen Kristallen kann man das Licht auch in speziellen gebundenen Zuständen festhalten. Solche exotischen Resonanzen hatten John von Neumann und Eugene Wigner schon 1929 mathematisch konstruiert. Ihre Frequenz liegt zwar im Strahlungs­kontinuum, doch wegen ihrer besonderen Symmetrie oder aufgrund von destruktiver Inter­ferenz können sie nicht an die Strahlungs­moden koppeln.

Abb.: Einige der Mikrostrukturen aus Halbleiterzylindern, die mit Hilfe von BIC-Moden Laserstrahlung erzeugt haben. (Bild: A. Kodigala et al.)

Abb.: Einige der Mikrostrukturen aus Halbleiterzylindern, die mit Hilfe von BIC-Moden Laserstrahlung erzeugt haben. (Bild: A. Kodigala et al.)

Diese „Bound States in the Continuum“ (BIC) sind deshalb sehr langlebige Resonanzen mit einer sehr kleinen Linienbreite – obwohl sie inmitten von Strahlungs­moden liegen. Mit ihrer Hilfe lässt sich Licht einschließen, als befände es sich zwischen zwei Spiegeln sehr hoher Güte. Dies haben sich Boubacar Kanté und seine Mitarbeiter für ihren optisch gepumpten BIC-Laser zunutze gemacht.

Mittels Ionenstrahl­lithographie und reaktivem Ionen­ätzen stellten sie membran­förmige Mikro­strukturen aus dem Halbleiter Indium-Gallium-Arsen-Phosphid her. Diese bestanden aus zahlreichen flachen Zylindern (300 Nanometer Dicke, zirka 500 Nanometer Radius), die schach­brett­förmig angeordnet und durch 200 Nanometer breite Stege miteinander verbunden waren.

Mit gepulstem Laserlicht von 1064 Nano­metern Wellen­länge konnten die Forscher die zylindrischen Resonatoren zum Leuchten im Infra­roten zwischen 1,4 und 1,6 Mikrometer anregen. Wie Berechnungen der Forscher zeigten, lagen in diesem Frequenz­bereich drei BIC-Resonanzen, die im Idealfall nicht an die Strahlungs­moden koppelten – zwei aufgrund von destruktiver Interferenz (Moden 1 und 2) und eine aus Symmetrie­gründen (Mode 3).

Abb.: Die Laserwellenlänge ließ sich durch den Zylinderradius und die Zahl der Zylinder variieren. Die gemessenen Wellenlängen stimmten mit den für die beiden BIC-Moden 1 und 2 vorhergesagten Werten überein. (Bild: A. Kodigala et al.)

Abb.: Die Laserwellenlänge ließ sich durch den Zylinderradius und die Zahl der Zylinder variieren. Die gemessenen Wellenlängen stimmten mit den für die beiden BIC-Moden 1 und 2 vorhergesagten Werten überein. (Bild: A. Kodigala et al.)

Allerdings war die Mode 3 sehr empfindlich gegen symmetrie­brechende Störungen, sodass sie in realen Mikro­strukturen keine Rolle spielen sollte. Die Moden 1 und 2 waren hingegen robust. Sie zeigten über einen großen Wellenlängen­bereich und für unterschiedliche Richtungen des Wellen­vektors eine sehr hohe Güte. Indem die Forscher die Zylinder­durchmesser veränderten, konnten sie die Wellen­länge dieser BIC-Moden um die Tele­kommunikations­wellenlänge von 1,55 Mikrometer herum variieren.

Die Moden 1 und 2 eigneten sich somit zum für den Laserbetrieb nötigen Licht­einschluss, wie die nachfolgenden Experimente bestätigten. Dazu bestrahlten die Forscher die Mikro­struktur­membranen senkrecht mit dem gepulsten Laserlicht, dessen Intensität sie stetig erhöhten. Dabei analysierten sie die von der Membran abgegebene Strahlung. Zunächst hatte diese Strahlung eine große Bandbreite, doch ab einer bestimmten kritischen Pumpleistung wurde sie monochrom und zeigte einen scharfen Laserpeak bei etwa 1,55 Mikrometer.

Für zahlreiche Mikro­strukturen mit unterschiedlich vielen Zylindern, deren einheitlicher Radius zwischen 500 und 550 Nanometern variierte, maßen die Forscher die Laser­wellen­länge. Es zeigte sich, dass diese Wellenlänge linear mit dem Radius zunahm und perfekt mit der Resonanz­wellen­länge der Moden 1 und 2 überein­stimmte, während die Mode 3 nicht angeregt wurde und keine Rolle für den Laser spielte. Die kritische Pump­leistung hing ebenfalls vom Zylinder­radius ab und zeigte ein Minimum bei etwa 525 Nanometern. Das war zu erwarten, denn bei diesem Radius hatten die Moden 1 und 2 eine besonders hohe Güte von etwa 109, sodass das Licht hier sehr lange im Resonator eingeschlossen blieb.

Die kompakte Bauweise des BIC-Lasers und seine variable Wellenlänge machen ihn für viele Anwendungen interessant, u.a. für optische Fallen und Pinzetten, für Biosensoren und für die Quanten­informations­verarbeitung. Darüber hinaus sind BIC-Moden als ein Wellen­phänomen nicht auf das Licht beschränkt. Sie treten etwa auch für Mikro-, Schall- oder Wasserwellen auf, sodass hier ebenfalls interessante Effekte zu erwarten sind.

Rainer Scharf

DE

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