Multimodale Mini-Laser

Laser gibt es in vielen verschiedenen Größen und Stärken, von turnhallen­großen Tera­watt-Apparaten bis hinunter zu Nano­lasern, die plasmo­nische Anre­gungen zur Erzeu­gung von Laser­strahlung aus­nutzen. Gerade solche Mini-Lasern, die sich auf Chips inte­grieren lassen, waren bis­lang in ihrer Funktio­na­lität limi­tiert. Zur Erzeu­gung von Laser­licht mit mehreren Wellen­längen müssen üblicher­weise mehrere Laser kombi­niert werden, die jeweils nur Strahlung einer einzigen Wellen­länge aus­senden. Einem Forscher­team um George Schatz von der North­western Univer­sity in den USA ist es nun jedoch gelungen, mehrere Laser­frequenzen aus einem einzigen Mikro­gitter „heraus­zu­kitzeln“. Das könnte in Zukunft zu einer weiteren Mini­aturi­sierung und auch Kosten­ein­sparung bei multi­modalen Laser­systemen führen.

Die Forscher nutzten hierzu die Bandkanten verschieden großer Anord­nungen von Nano­partikeln. Dabei konnten sie die unter­schied­lichen Lasing-Moden mit ihrem Aus­strah­lungs­ver­halten und der Abkling­dynamik dank maß­geschnei­derter Nano­partikel gut kontrol­lieren. Eine besondere Rolle spielte dabei die Symmetrie ihrer Nano­partikel-Gitter: Bei Anord­nungen mit gebro­chener Symmetrie ließ sich sogar zwischen Lasing mit Einzel- oder Mehr­fach-Moden hin- und her­schalten – je nachdem, unter welchem Einfalls­winkel und mit welcher Polari­sation die Pump­strahlung auf das Gitter trifft.

Die Gold-Nanopartikel waren quadratisch in zweidimensionalen Subgittern in einem Abstand von sechs­hundert Nano­metern zuein­ander ange­ordnet und befanden sich in einer Lösung, die mit Farb­stoff versetzt war. Die einzelnen Nano­teilchen besaßen einen Durch­messer von 120 Nano­metern und waren fünfzig Nano­meter hoch. Die Subgitter hatten eine Kanten­länge von rund 18 Mikro­metern. Die Leer­räume zwischen den einzelnen Subgitter maßen wenige Mikro­meter.

Zur Anregung der Nanopartikel-Plasmonen bestrahlten die Forscher die Nano­teilchen mit einem Titan-Saphir-Laser von acht­hundert Nano­metern Wellen­länge unter einem Winkel von 45 Grad. Die emit­tierten Laser-Moden maßen sie mit einem CCD-Spektro­meter. Dabei konnten sie mehrere Moden nach­weisen, bei genannter Geo­metrie etwa bei 863, 874 und 884 Nano­metern. Zum Vergleich testeten die Forscher auch ein einzelnes, großes Gitter aus Gold-Nano­partikeln, die regel­mäßig ohne Unter­brechungen ange­ordnet waren. Wie erwartet, lieferte diese Gitter nur eine einzige Laser­mode bei 862 Nano­metern.

„Mit diesen Supergittern können wir nicht nur teure Produktions­ver­fahren umgehen und direkt mehrere Laser­moden auf einem einzigen Chip erzeugen“, sagt Teri Odom, Koautor der Ver­öffent­lichung. „Anhand der Archi­tektur der Nano­kavi­täten können wir auch direkt Ein­fluss auf Para­meter wie Wellen­länge und Inten­sität der Laser­strahlen nehmen.“ Diese Para­meter hängen von der Teilchen­größe, Abstand der Nano­partikel, Größe und Abstand der verschie­denen Subgitter ab. Bei Nano­teilchen-Durch­messern von 125 Nano­metern etwa ver­schoben sich sämt­liche Moden zum Roten hin und die größeren Wellen­längen strahlten mit höherer Inten­sität.

Das gute Ansprechverhalten der Mikrogitter verdankt sich gleich mehreren Ursachen. Einer­seits besitzt der Farb­stoff, der die Nano­teilchen bedeckt, eine hohe Band­breite, um die Energie des Pump­lasers auf­zu­nehmen. Anderer­seits sind die spektralen Reso­nanzen der Gitter-Plasmonen hin­reichend weit vonein­ander entfernt und wechsel­wirken zugleich stark genug mit dem Farb­stoff, um die Pump­strahlung in Laser­moden umzu­wandeln.

Bis derartige Nanolaser in industriellen Produkten Anwendung finden, dürfte jedoch noch einige Zeit vergehen: Nach Schätzung der Wissen­schaftler wird dies noch unge­fähr ein Jahr­zehnt benötigen. Dann könnten sich derartige Laser für die Daten­über­tragung oder die mehr­farbige Beleuch­tung von Gewebe­proben ein­setzen lassen. Labor­anwen­dungen sollten aber schon deut­lich eher möglich sein. Schon in den kom­menden Jahren könnte man der­artige multi­modale Chip­laser etwa in der Sensorik ein­setzen, um verschie­dene Sub­stanzen gleich­zeitig nach­zu­weisen. Ein anderes loh­nendes Gebiet sind in-situ-Auf­nahmen von Zellen, bei denen mehrere Farb­stoffe zum Ein­satz kommen, die sich mit Hilfe mini­aturi­sierter Laser anregen lassen. So könnten Bio­logen verschie­dene zellu­läre Prozesse parallel zuein­ander beob­achten.

Eine weitere interessante Anwendung, an der die Forscher in Zukunft arbeiten wollen, sind weiße Nano­laser, die sich aus der Kombi­nation von blauen, grünen und roten Wellen­längen ergeben und über einen gewissen Bereich durch­stimmen lassen. Hierzu müssen die Wissen­schaftler den Wellen­längen­bereich, in dem die Nano­kavi­täten funktio­nieren, noch erweitern. Dann aber ließe sich die Farb­tempe­ratur des weißen Lasers anhand der relativen Inten­si­täten und zentralen Wellen­längen der drei Farb­kanäle vergleichs­weise ein­fach ein­stellen.

Dirk Eidemüller

RK