Flacher Laser aus Nanoantennen

Metamaterialien aus symmetrisch angeordneten Nanostrukturen bilden eine Grundlage für extrem flache Linsen, Tarnkappen-Effekte für bestimmte Wellenlängenbereichen und Werkstoffe mit negativem Brechungsindex. Einem Forscherteam in Singapur gelang es jetzt, einen Laser aus einem Areal winziger Nanozylinder zu entwickeln. Extrem flach und sogar durchsichtig könnten solche Laserquellen in Zukunft in optische Chips integriert werden.

Arseniy Kuznetsov und seine Kollegen von der Agency for Science, Technology and Research in Singapur nutzten für ihren Prototyp Nanozylinder aus dem Halbleitermaterial Galliumarsenid, symmetrisch angeordnet auf einer Unterlage aus Siliziumdioxid. Dieses Areal aus Nanoantennen ließ sich mit einem weiteren Laser zur Aussendung von Laserlicht anregen. Die Wellenlänge des emittierten Lichts ließ sich sowohl über Größe und Anordnung der Nanozylinder als auch über die Temperatur gezielt verändern.

Bisher legten nur theoretische Modelle nahe, dass sich aus diesen Nanoantennen flache Laser mit einer genau definierten Wellenlänge bauen lassen sollten. „Aber dieses wichtige Puzzlestück bei der Entwicklung von Nanoantennen-Modulen fehlte bisher“, sagt Kuznetsov. Um die Lücke zu schließen, deponierte sein Team zuerst eine hauchdünne Schicht aus Galliumarsenid auf einer Siliziumdioxid-Oberfläche. Mit Elektronenstrahlen und lithografischen Ätzprozessen formten sie daraus eine symmetrische Struktur aus zahlreichen Nanozylindern. Jeder Nanozylinder war zwischen 100 und 140 Nanometer dick, 250 Nanometer hoch und bildete mit seinen Nachbarn das optoelektronisch aktive Areal.

Diese symmetrisch aufgebaute Struktur regten die Forscher mit Femtosekundenpulsen mit 780 Nanometer Wellenlänge und einer Wiederholrate von einhundert Kilohertz an. Dabei bauten sich in den Nanozylindern sowohl horizontale und vertikale Dipolresonanzen auf. Die vertikalen Resonanzen bildeten die Grundlage für die Emission von Laserlicht mit einer Wellenlänge von etwa 830 Nanometern. Die horizontale Resonanz bei 790 Nanometer wurde für die Lichtemission nicht weiter genutzt.

Um das Laserlicht aus dem Areal auszukoppeln, positionierten die Forscher ihre Nanozylinder in Abständen von 300 Nanometern entlang einer Achse und 540 Nanometern in der anderen Richtung. Die weiter voneinander entfernten Reihen an Nanozylindern boten ein über ihre Periodizität festgelegtes Beugungsverhalten, so dass das Laserlicht unter einem festen Winkel zwischen 4 und 25 Grad nach oben abgestrahlt wurde.

In weiteren Prototypen variierten die Forscher den Durchmesser der Nanozylinder auf bis zu 140 Nanometer. Mit zunehmender Dicke verschob sich die Wellenlänge des Laserlichts von 830 Nanometer auf 850 Nanometer. Auch die Abstände zwischen den Zylindern hatten einen Einfluss auf die Wellenlänge. Mit einem periodischen Abstand von 590 Nanometern zwischen den Nanozylindern ließ sich die Wellenlänge auf bis zu 920 Nanometer verschieben. Auch mit steigender Temperatur – die Experimente wurden zwischen 77 und 200 Kelvin durchgeführt – ergab sich eine Rotverschiebung um bis zu 15 Nanometer.

Kuznetsov und seine Kollegen zeigten mit diesem Experiment erstmals, dass symmetrisch aufgebaute Areale aus zylindrischen, halbleitenden Nanoantennen für den Bau von flachen Lasern mit variabler Wellenlänge geeignet sind. Mit anderen Materialien außer Galliumarsenid und anderen Abständen zwischen den Nanozylindern wollen sie das Potenzial dieser Laser weiter untersuchen. Für eine mögliche Anwendung dieser Laser in Photonik-Chips oder auch neuartige Leuchtdioden müsste die derzeit angewandte optische Anregung mit einem weiteren Laser noch auf eine rein elektrische Anregung mit angelegten Spannungen umgestellt werden.

Jan Oliver Löfken

RK