Kompakter Laser ohne Spiegel
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.)
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-
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-
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-
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-
Rainer Scharf
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