211service.com
Microlasers op kamertemperatuur
Wetenschappers hebben de kleinste laser ooit gemaakt die bij kamertemperatuur kan werken. Het apparaat is minder dan één kubieke micron kleiner dan de golflengte van het licht dat het uitstraalt. Het is de eerste subgolflengtelaser die geen cryogene koeling nodig heeft.
Laserprecisie: Afgestudeerde student Olesya Bondarenko inspecteert het sputterdepositie-instrument dat wordt gebruikt om een laag aluminium op de subgolflengte-microlasers aan te brengen.
Yeshaiahu Fainman , hoofd van de Ultrafast and Nanoscale Optics Group aan de Universiteit van Californië, San Diego, die het werk leidde, zegt dat het mogelijk moet zijn om de microlasers dicht bij elkaar te plaatsen zonder interferentie tussen apparaten. Dit maakt de weg vrij voor onder meer snellere optische communicatieapparaten die subgolflengtelasers in dichte arrays gebruiken.
De onderzoekers hebben een zogenaamde microdisc-laser aangepast. Bij dit type laser wordt een microscopische schijf met verschillende materialen optisch gepompt door een grotere laser. Dit stimuleert de halfgeleiderkern om licht uit te zenden, dat rond de randen van de schijf stuitert voordat het wordt losgelaten. Door metaal aan deze schijf toe te voegen, kan worden voorkomen dat de laser zich op een manier gedraagt die andere apparaten in de buurt zou storen. Maar dit vermindert de efficiëntie van de laser, en tot nu toe was de enige manier om dit prestatieverlies tegen te gaan, de laser cryogeen te koelen tot ongeveer 77 graden Kelvin (-196 graden Celsius) met behulp van vloeibare stikstof, wat verre van praktisch is.
Fainman vond samen met postdoc Maziar Nezhad en andere UCSD-collega's een eenvoudigere manier om de efficiëntie van hun laser te verbeteren en de noodzaak voor koeling weg te nemen. Ze voegden een laag silica toe, gevolgd door een laag aluminium rond een laserholte gemaakt van indium-galliumarsenidefosfide. De buitenste metalen laag werkt als een schild, isoleert de laser van andere apparaten en werkt als een zeer efficiënt koellichaam. De silicalaag voorkomt dat het metaal de algehele efficiëntie van de lasers vermindert.
Er is gekozen voor aluminium omdat het door zijn optische eigenschappen sterk reflecterend is. Maar de sleutel om het te laten werken, ligt in het nauwkeurig regelen van de dikte van de silicalaag die het metaal van de halfgeleiderkern scheidt, zegt Fainman. Als de laag te dun is, zal de metalen afscherming te sterk interageren met het optische veld, wat resulteert in hoge verliezen.
Dit is zeer opwindend werk en introduceert belangrijke vooruitgang op het nieuwe gebied van nanolasers, zegt Naomi Halas, de Stanley C. Moore hoogleraar Electrical and Computer Engineering aan de Rice University, en directeur van het University's Laboratory for Nanophotonics. Door gebruik te maken van metalen lagen en slimme ontwerpgeometrieën, is deze groep begonnen met het inbouwen van verfijningen in deze structuren die de manier waarop deze apparaten worden gebruikt in communicatiesystemen zullen uitbreiden.
In een paper gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfotonica laat de UCSD-groep zien dat zijn laser bij kamertemperatuur emissies kan produceren met een golflengte van 1,43 micron. De groep heeft financiering ontvangen van de National Science Foundation en van DARPA's Nanoschaalarchitecturen voor coherente hyper-optische bronnen programma.
In theorie zou de efficiëntie van de laser verder verbeterd kunnen worden door andere metalen te gebruiken die nog gunstigere optische eigenschappen hebben, zoals zilver of goud, zegt Fainman.
Een grotere uitdaging is het vinden van een manier om de lasers volledig te integreren in opto-elektronische apparaten, door de complexe optische pomp te vervangen door een elektrische. Elektrisch pompen zou wenselijker zijn, omdat het veel efficiënter is, zegt Richard De La Rue , een professor in opto-elektronica aan de Universiteit van Glasgow, in het VK.
Naast snelle communicatie kunnen subgolflengtelasers toepassingen vinden in biomedische beeldvorming en optische microscopie in het nabije veld, zegt Fainman. In het laatste geval zijn er problemen bij het mechanisch scannen van lasers over een oppervlak, zegt hij, dus het doel zou zijn om een reeks lichtbronnen te maken die elektrisch in plaats van mechanisch zouden worden gescand.
Halas zegt dat het werk ook wetenschappelijk belangrijk is. Ze maken gebruik van een regime waarbij het ontwerp van de holte de eigenschappen van het versterkingsmedium kan veranderen, wat eigenlijk een geheel nieuwe manier van denken over lasers introduceert, zegt ze.