Erstmals im Chipformat: Miniaturisierter Titan:Saphir-Laser erreicht beeindruckende Leistung

Sogenannte Titan:Saphir-Laser haben ein breites Einsatzgebiet: Sie werden überall dort verwendet, wo ultrakurze, energiereiche Laserpulse mit großer Bandbreite benötigt werden. Anwendungsbeispiele sind etwa Femtosekundenlaser, Laser in Plasmabeschleunigern oder in der Quantenphysik. Ein US-Team konnte diesen so wichtigen Laser nun erstmals miniaturisieren und dabei seine hohe Leistung und Bandbreite erhalten. Der neue Laser ist nur wenige Millimeter groß und kann mit einem gängigen grünen Laserpointer angeregt werden. Gewöhnliche Laser dieser Art sind etwa 10.000 Mal größer und etwa tausend mal teurer.

Laser wird auf die Größe eines Computerchips geschrumpft

Basis eines Titan:Saphir-Lasers ist ein Korund-Kristall, in dem Titan-Ionen enthalten sind. Die Ionen haben mehrere Anregungszustände, in denen sie Photonen abgeben. Der Titan:Saphir-Laser erzeugt so intensives, kohärentes Laserlicht im Wellenbereich zwischen 670 und 1070 Nanometern. Die Leistung dieser Laser kann bisher nicht erreicht werden – sie sind essentiell für diverse Forschungs- und Anwendungsgebiete. Allerdings sind die Laser auch sehr groß und benötigen leistungsstarke und teure Pumplaser. Insgesamt können sich die Kosten eines Titan:Saphir-Lasers auf mehrere Zehntausend Dollar belaufen, was ihre breite Nutzung verhindert. Für viele Anwendungsgebiete sind dann doch Kompaktheit und Skalierbarkeit erforderlich.

Einem Team rund um Joshua Yang von der Stanford University gelang es nun erstmals, einen Titan:Saphir-Laser bis auf die Größe eines Computerchips zu schrumpfen, ohne dass seine Bandbreite und Leistung beeinträchtigt wurde. Der neue Miniaturlaser basiert auf einem Saphir-Kristall, auf den eine Siliziumdioxidschicht aufgebracht wurde. Auf dieser Schicht sitzt eine weitere Saphirschicht, die nur wenige hundert Nanometer dick ist und mit Titan-Ionen dotiert ist. Diese Schicht ist das eigentliche Lasermedium, in das dann eine kreisförmige Struktur eingeätzt wird, die als Ringresonator dient und die Photonen sammelt, die erzeugt wurden.

Laserleistung wie ein großer

Um dann eine hohe Laserleistung zu erreichen, wird ein optischer Verstärker benötigt, der die erzeugten Photonen anreichert und bündelt. Dies wird mit einem spiralförmig gewundenem Wellenleiter umgesetzt, der mittels Elektronenstrahl-Lithografie in die Titan:Saphir-Schicht eingeätzt wird. Die Lichtleiterkanäle sind lediglich einen Mikrometer breit und wären etwa acht Millimeter lang, wenn man sie entrollen würde. Dieser Mini-Verstärker kann die 240 Milliwatt des Pumplasers auf ein Kilowatt Ausgabeleistung erhöhen.

„Das ist mehr als eine Größenordnung stärker als die höchste bisher demonstrierte integrierte Puls-Verstärkung. Gleichzeitig ist dies der einzige Chip-integrierte leistungsstarke Verstärker mit Transformations-Limitierung für jede Wellenlänge„, schreiben die Forscher:innen.

Wie bei seinen „großen Geschwistern“ kann auch beim neuen Miniaturlaser die Wellenlänge eingestellt werden. Mit Hilfe eines Ringresonator mit angeschlossenem Heizelement im Mikrometerformat sowie einem zusätzlichen Filter kann die volle Bandbreite der Titan-Ionen erreicht werden. Diese reicht von 650 bis 1100 Nanometern.

Anregung mit handelsüblichem Laserpointer

Im Gegensatz zu den großen Lasern reicht beim kleinen Chip-Laser ein handelsüblicher grüner Laserpointer, um das Lasermedium anzuregen. „Bisher wurden dafür zehn Kilogramm schwere, 30.000 US-Dollar teure Pumplaser benötigt, wir kommen mit einer handelsüblichen Laserdiode für 37 US-Dollar aus„, erklären die Physiker:innen.

Das Team testete den Mini-Laser in einem quantenphysikalischen Experiment, bei dem es darum geht, das Verhalten von Quantenpunkten in einem Siliziumcarbid-Kristall zu untersuchen. Die Forscher:innen tauschten alle üblicherweise in dem Experiment verwendeten Titan:Saphir-Laser gegen den Miniatur-Laser aus. Dabei waren keinerlei Modifikationen an dem Experiment erforderlich. Die durchgeführten Messungen verliefen erfolgreich.

Demokratisierter Laser

Die Forscher:innen gehen davon aus, mit ihren miniaturisierten Titan:Saphir-Laser ganz neue Anwendungsgebiete für solche Laser eröffnen zu können. „Wenn man den Sprung von tischgroßen Anlagen auf etwas schafft, das mit geringen Kosten auf einem Chip produziert werden kann, dann ist das ein wichtiger Durchbruch„, so Yang. Die Laser könnten dann für quasi jede Anwendung erschwinglich werden.

„ in Chip ist leicht, tragbar und effizient. Es gibt keine bewegliche Teile – und er kann in Massenfertigung hergestellt werden. Das demokratisiert die Titan:Saphir-Laser„, erläutert Yang weiter. Solche Mini-Laser könnten etwa in Quantencomputern, der Optogenetik oder der Laserchirurgie eingesetzt werden. Aber auch für Anwendungen wie Displays oder in der Kommunikationstechnologie wären sie geeignet.

via Stanford University