Nanolaser strahlt in alle Richtungen

3. Januar 2019, 13:31 Uhr
Ein Werkstück des neuen Lasermaterials mit zehn Quadraten, jeweils mit einem anderen Muster von Silberstreifen. Die Farben auf dem Testmuster sind nicht das Laserlicht (der Laser ist auf diesem Foto nicht eingeschaltet), sondern Spiegelungen wie auf einer CD (Foto: Alexei Halpin, TU Eindhoven).
Ein Werkstück des neuen Lasermaterials mit zehn Quadraten, jeweils mit einem anderen Muster von Silberstreifen. Die Farben auf dem Testmuster sind nicht das Laserlicht (der Laser ist auf diesem Foto nicht eingeschaltet), sondern Spiegelungen wie auf einer CD (Foto: Alexei Halpin, TU Eindhoven).
Forscher der Technischen Universität Eindhoven und DIFFER haben einen energiesparenden Nanolaser entwickelt, der in alle Richtungen strahlt. Dass der Laser rundum Licht verbreitet, liegt an etwas, was in der Nanotechnologie eigentlich unerwünscht ist: Fehler im Material. Die Forscher sehen viele Anwendungsmöglichkeiten. Die Forschung wurde in Physical Review Letters veröffentlicht.

Perfekt

Die Strukturen, mit denen die Nanowissenschaften arbeiten, sind so winzig, dass es fast unmöglich ist, sie zu perfektionieren. Ein solcher Mangel bezüglich der genauen Form und/oder Zusammensetzung ist normalerweise ein Fluch für Wissenschaft und Technik. Eine Forschergemeinschaft aus dem niederländischen Eindhoven wusste jedoch, diese Unvollkommenheit auszunutzen. Das Team ließ bewusst eine kleine „Unordnung“ in dem Material zu, mit dem sie einen Nanolaser konstruierten. Die kleine Störung verursachte aber eine große Veränderung: Der Laser strahlte nicht nur in eine, sondern in alle Richtungen.

Laserschwellwert

Ein normaler Laser „klont" jedes Photon mehrmals in einem Material (dem Lasermedium) mit Spiegeln an den Enden (dem Resonator). Die Photonen bewegen sich zwischen den Spiegeln hin und her und stimulieren auf ihrem Weg andere Photonen mit gleichen Eigenschaften im Medium. Einer der Spiegel lässt ein wenig Licht durch, so dass der Laserstrahl austritt. Damit dies funktioniert, muss dem Medium elektrisch oder optisch (durch energiereiches Licht) Energie zugeführt werden. Die Energiemenge, die zur Erzeugung von Laserlicht mindestens benötigt wird, wird als Laserschwelle bezeichnet.

Polariton-Laser

Ein Polariton-Laser funktioniert anders. Es klont keine Photonen, sondern gruppiert verschiedene Photonen, die sich dadurch ähnlich werden. Dieser Prozess erinnert ein wenig an die Kondensation von Wasser, bei der sich Wasserdampfmoleküle, die sich zuerst kreuz und quer bewegt haben, zu Tröpfchen zusammensetzen. Die „Kondensation“ von Photonen erzeugt intensiv fokussiertes kohärentes Laserlicht. Ein wichtiger Vorteil dieser Art von Laser ist, dass die Laserschwelle viel niedriger ist. Bis vor kurzem funktionierten Polariton-Laser nur bei extrem niedrigen Temperaturen, doch durch den Einsatz organischer Materialien arbeiten sie heute sogar bei Raumtemperatur.

Kunststoff

Die Forscher der Technischen Universität Eindhoven und DIFFER haben nun einen neuartigen Polariton-Laser entdeckt. Dieser besteht aus einem regelmäßigen Muster silberner Nanostreifen auf einem Stück farbigen, transparenten Kunststoff. Nach diesem Prinzip haben die Forscher schon früher einen Nanolaser hergestellt, doch jetzt erst die Silberstreifen bewusst nicht ganz perfekt gestaltet, so dass das Laserlicht in alle Richtungen streut. Die Eigenschaften dieses Lichts werden hauptsächlich durch die Farbstoffmoleküle im Kunststoff bestimmt.

Möglichkeiten

Im Vergleich zu LEDs ist das Licht viel heller und der Lichtstrahl viel schmaler. Daher könnte der neue Laser für Mikroskop-Beleuchtung geeignet sein, bei der immer noch LEDs eingesetzt werden. LIDAR ist eine weitere mögliche Anwendung. Heutige LIDAR-Systeme zur Abstands- und Geschwindigkeitsmessung verfügen über einen oder mehrere Laser und eine Reihe von schnell beweglichen Spiegeln, um eine große Oberfläche zu erzielen. Ein Laser, der in alle Richtungen leuchtet, bräuchte diese Spiegel nicht, was die Systeme wesentlich einfacher und preiswerter machen könnte.
 
Quelle: TU Eindhoven
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