Wie ein Polariton-Laser funktioniert

  • 17. May 2013

Neue Art von Laser könnte Energieaufnahme deutlich reduzieren.

Licht, dessen Wellen im Gleichtakt schwingen, sendet er ebenfalls aus. Grundlegend anders sind jedoch die physikalischen Prozesse, die in einem Polariton-Laser ablaufen. Nun haben Physiker am Lehrstuhl für Technische Physik der Universität Würzburg in enger Zusammenarbeit mit einem internationalem Forscherteam einen solchen neuartigen Laser hergestellt und seine Lasereigenschaften nachgewiesen.

Abb.: Schema des elektrisch betriebenen Polariton-Lasers (Bild: A. Rahimi-Iman, Techn. Phys., U. Würzburg)

Abb.: Schema des elektrisch betriebenen Polariton-Lasers (Bild: A. Rahimi-Iman, Techn. Phys., U. Würzburg)

„Wir schicken Elektronen und Löcher durch das Anlegen einer elektrischen Spannung in einen Quantenfilm. Diese ziehen sich aufgrund der entgegengesetzten Ladung an und bilden gemeinsam ein sogenanntes Exziton. Durch die starke Licht-Materie-Kopplung dieser Exzitonen an eine Halbleitermikrokavität werden daraus Polaritonen. Diese zerfallen nach kurzer Zeit und dabei werden Photonen emittiert“, erklärt Sven Höfling, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Technische Physik, den Entstehungsmechanismus. Gemeinsam mit Christian Schneider und Arash Rahimi-Iman hat er die entsprechenden Experimente durchgeführt.

Beim Zerfall von Exzitonen entstehen Photonen. Diese werden von den Spiegeln der Kavität in Richtung des Quantenfilms zurückgeworfen. Dort können die Photonen wieder absorbiert werden, wobei erneut Exzitonen erzeugt werden. „Im Bereich der starken Kopplung entstehen somit ein periodischer Energieaustausch und neue Quasiteilchen, die so genannten Polaritonen“, sagt Höfling.

„Extrem klein ist die Masse eines Polaritons, annähernd so gering wie die eines Lichtteilchens in der Mikrokavität“, sagt Christian Schneider, neben Arash Rahimi-Iman Erstautor der Studie. Prinzipiell seien in einem Polariton jedoch die Eigenschaften von Exzitonen und Photonen gemischt. Welche von ihnen in welchem Grad ausgeprägt sind, können die Physiker durch den Aufbau ihres Experiments steuern.

Ewig zwischen den Spiegeln eingefangen bleiben die Polaritonen natürlich nicht. „Wir verwenden Spiegel mit einer endlichen Reflektivität“, erklärt Schneider. Das führt dazu, dass der Polariton-Laser ebenfalls kohärentes Licht – den Laserstrahl – emittiert. Das Ergebnis lässt sich anhand dieser Eigenschaft von dem eines konventionellen Lasers also kaum unterscheiden, auch wenn es auf einem gänzlich anderen Wirkmechanismus beruht. Allerdings benötigt ein Polariton-Laser für diesen Prozess deutlich weniger Energie; der Verbrauch sinke um ein bis zwei Größenordnungen, sagt Schneider.

Bereits 2007 hatte Sven Höfling die Idee zur Realisierung eines elektrisch betriebenen Polariton-Lasers; 2008 hat die Gruppe mit den Experimenten begonnen. Relativ schnell lagen in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität in Stanford die ersten Ergebnisse vor. Dann zeigte sich allerdings ein ganz prinzipielles Problem: „Es ist extrem schwierig zu unterscheiden, ob man einen Polariton- oder einen normalen Laser hergestellt hat. Die Eigenschaften des emittierten Lichts sind normalerweise kaum unterscheidbar“, sagt Höfling.

Aus diesem Grund hat das internationale Forscherteam mit Partnern in den USA, Japan, Russland, Singapur, Island und Deutschland für einen eindeutigen Nachweis erste Experimente um eine weitere Komponente ergänzt. „Weil Materie sensibel auf ein Magnetfeld reagiert, haben wir unsere Messungen noch einmal durchgeführt und dabei die Probe unter einem Magnetfeld beobachtet“, erklärt Schneider. Das Ergebnis habe klar gezeigt, dass es sich tatsächlich um Polaritonen handelte.

Temperaturen von zehn Grad Kelvin sind notwendig, damit der Würzburger Polariton-Laser funktioniert. Das wollen die Physiker ändern. Ihr Ziel ist es, den Prozess auch bei Raumtemperatur zum Laufen zu bringen. Das ist für sie noch aus einem weiteren Grund interessant: „Die Prozesse, die in einem Polariton-Laser ablaufen, sind eng verwandt mit denen in einem Bose-Einstein-Kondensat“, erklärt Christian Schneider.

U. Würzburg / PH

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