Caltech-Forschung 17.11.2023, 12:47 Uhr

Könnte vieles ändern: Ultraschneller Laser passt auf Fingerkuppe

In vielen Bereichen der Wissenschaft, insbesondere auch für die Erkundung des Weltalls, braucht es leistungsfähige und hochpräzise Laser. Allerdings sind die meisten Laser, die diese Aufgabe erfüllen können, sperrig, teuer und verbrauchen viel Strom. Das könnte sich jetzt ändern.

Miniaturlaser

Ultraschneller modengekoppelter Laser in nanophotonischem Lithiumniobat.

Foto: Caltech/Alireza Marandi

Laser haben sich weit über ihre alltäglichen Anwendungen, wie Lichtshows und das Scannen von Strichcodes, hinausentwickelt. Sie spielen eine wesentliche Rolle in Bereichen wie der Telekommunikation, Informatik sowie in der biologischen, chemischen und physikalischen Forschung. Insbesondere Laser, die extrem kurze Pulse von einer Billionstel Sekunde (einer Pikosekunde) oder kürzer erzeugen können, sind in diesen spezialisierten Anwendungsbereichen von großer Bedeutung. Genau hier setzt eine Forschung des California Institute of Technology (Caltech) an.

Caltech entwickelt Laser mit ultrakurzen Pulsen

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Caltech haben einen ihrer Meinung nach revolutionären Laser entwickelt, der ultrakurze Pulse erzeugt. Diese sind so klein sind, dass sie auf eine Fingerspitze passen. Diese fortschrittlichen Laser eignen sich für vielfältige Anwendungen, von medizinischer Bildgebung über präzise Atomuhren bis hin zur satellitenunabhängigen Navigation.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
Jakob Mooser GmbH / Mooser EMC Technik GmbH-Firmenlogo
Prüfingenieur / Prüftechniker (m/w/d) Jakob Mooser GmbH / Mooser EMC Technik GmbH
GASCADE Gastransport GmbH-Firmenlogo
Ingenieur mit Schwerpunkt Maschinenbau / Elektrotechnik / Verfahrenstechnik - als Referent Gasdisposition (m/w/d) GASCADE Gastransport GmbH
Bunge Deutschland GmbH-Firmenlogo
Projektingenieur (m/w/d) Bunge Deutschland GmbH
Mannheim Zum Job 
Berliner Wasserbetriebe-Firmenlogo
Facheinkäufer:in (w/m/d) Berliner Wasserbetriebe
Berliner Wasserbetriebe-Firmenlogo
Facheinkäufer:in (w/m/d) Berliner Wasserbetriebe
OSRAM GmbH-Firmenlogo
Head of Strategy & Marketing - Entertainment & Industry Lamps (ENI) (d/m/f) OSRAM GmbH
München Zum Job 
ams Sensors Germany GmbH-Firmenlogo
Product Manager Automotive - Driver IC (d/m/f) ams Sensors Germany GmbH
Garching bei München Zum Job 
OSRAM GmbH-Firmenlogo
Key Account Manager*in (d/m/w) OSRAM GmbH
München Zum Job 
ARRK Engineering GmbH-Firmenlogo
IT Consultant Digitalisierung / Webentwicklung (m/w/d) ARRK Engineering GmbH
München Zum Job 
TÜV Technische Überwachung Hessen GmbH-Firmenlogo
Ausbildung zum Prüfingenieur bzw. Sachverständigen (m/w/d) für den Tätigkeitsbereich Fahrzeugprüfung und Fahrerlaubnisprüfung TÜV Technische Überwachung Hessen GmbH
Frankfurt am Main Zum Job 
ARRK Engineering GmbH-Firmenlogo
Analyst im Bereich Fahrerassistenz / Autonomes Fahren (m/w/d) ARRK Engineering GmbH
München Zum Job 
ARRK Engineering GmbH-Firmenlogo
Technisches Projektmanagement - Entwicklung von automotive Anzeigesystemen (m/w/d) ARRK Engineering GmbH
München Zum Job 
ALTEN GmbH-Firmenlogo
Engineer semiconductor technology (all gender) ALTEN GmbH
München Zum Job 
ALTEN GmbH-Firmenlogo
Embedded Softwareentwickler Automotive (all gender) ALTEN GmbH
München Zum Job 
ALTEN GmbH-Firmenlogo
Requirements Engineer Automotive (all gender) ALTEN GmbH
München Zum Job 
Poppe + Potthoff Präzisionsstahlrohre GmbH-Firmenlogo
Projektingenieur (m/w/d) Produkt- und Prozessoptimierung Poppe + Potthoff Präzisionsstahlrohre GmbH
Werther (Westfalen) Zum Job 
Mynaric-Firmenlogo
Production Manager (m/w/x) Mynaric
Gilching Zum Job 
Swoboda Schorndorf KG-Firmenlogo
Techniker / Ingenieur Qualitätsvorausplanung AQP (m/w/d) Swoboda Schorndorf KG
Schorndorf Zum Job 
Swoboda Schorndorf KG-Firmenlogo
Commodity Manager - Molded Parts (m/w/d) Swoboda Schorndorf KG
Schorndorf Zum Job 
Swoboda Schorndorf KG-Firmenlogo
(Senior) Entwicklungsingenieur (m/w/d) für Sensorik Swoboda Schorndorf KG
Schorndorf Zum Job 

In Bereichen, in denen extrem schnelle Laserpulse gefragt sind, bieten diese kompakten Geräte entscheidende Vorteile. Ihre geringe Größe ist mehr als nur eine technische Spielerei: Durch die Miniaturisierung der Technologie eröffnen sich zahlreiche neue Anwendungsmöglichkeiten. Dadurch, dass der Laser auf einen kleinen Chip passt, lässt sich die Technologie leicht in andere, taschengroße Geräte integrieren.

„Wollen ultraschnelle Photonik revolutionieren“

„Unser Ziel ist es, den Bereich der ultraschnellen Photonik zu revolutionieren, indem wir große laborbasierte Systeme in chipgroße Systeme umwandeln, die in Massenproduktion hergestellt und vor Ort eingesetzt werden können“, sagt der Physiker Qiushi Guo vom Caltech und der City University of New York. „Wir wollen nicht nur alles kleiner machen, sondern auch sicherstellen, dass diese ultraschnellen Laser in Chipgröße eine zufriedenstellende Leistung erbringen“.

Die als Mode-Lock-Laser (MLL) bezeichneten Geräte erzeugen extrem kurze Laserpulse. Dies wird durch das „Verriegeln“verschiedener Laserfrequenzen und -phasen erreicht, wodurch Pulsdauern im Bereich von Femtosekunden, also Billiardstelsekunden, ermöglicht werden.

Dünnfilm-Lithiumniobat macht den Weg frei

Die Entwicklung schnellerer Laserpulse ermöglicht es, kleinere Objekte und solche, die sich rasch bewegen – beispielsweise Atome in einem Molekül – genauer zu beobachten. Aktuell sind die fortschrittlichsten und leistungsfähigsten Modenkopplungs-Laser (MLLs) jedoch nur in tischgroßer Ausführung verfügbar und verbrauchen viel Energie.

Um einen MLL auf einem winzigen Chip zu integrieren, nutzte das Forschungsteam dünne Schichten aus Lithiumniobat (TFLN). Dieses Material erlaubt die präzise Kontrolle von Laserpulsen durch externe elektrische Hochfrequenzsignale. Zusätzlich kombinierten sie TFLN mit einem speziellen, laserfreundlichen Halbleiter, um den besonders kleinen Laser zu realisieren.

Ultraschnelle Laser wurden 2023 mit Nobelpreis ausgezeichnet

Der diesjährige Nobelpreis für Physik zeichnete ein Trio von Wissenschaftlern für die Entwicklung von Lasern aus, die extrem kurze Attosekunden-Pulse (ein Quintillionstel einer Sekunde) erzeugen können, ein Durchbruch von großer Bedeutung in der Forschung. Aktuell sind solche Laser allerdings sehr teuer und sperrig.

Alireza Marandi, Assistenzprofessor für Elektrotechnik und angewandte Physik am Caltech betont, seine Forschung konzentriere sich darauf, ähnlich kurze Zeitskalen auf Chips zu realisieren, die wesentlich günstiger und kompakter sein könnten. Ziel sei es, bezahlbare und praktikable ultraschnelle photonische Technologien zu entwickeln.

„Diese Attosekunden-Experimente werden fast ausschließlich mit ultraschnellen modengekoppelten Lasern durchgeführt“, sagt Marandi. „Einige dieser Experimente können bis zu 10 Millionen Dollar kosten, wobei ein großer Teil dieser Kosten auf den modengekoppelten Laser entfällt. Wir sind wirklich gespannt darauf, wie wir diese Experimente und Funktionen in der Nanophotonik wiederholen können.“

Vielfältige Einsatzgebiete für den Miniatur-Laser

Zurück zum von der Caltech entwickelten Miniatur-Laser: Er ist in der Lage, einen 4,3 Pikosekunden (das sind Billionstel Sekunden) langen Puls im nahen Infrarotbereich mit einer Spitzenleistung von etwa einem halben Watt zu erzeugen. Darüber hinaus ist der fertige Laser äußerst vielseitig in Bezug auf seine Abstimmbarkeit und seinen Betrieb, so dass er in tragbare, handgehaltene Geräte eingebaut werden kann.  Im nächsten Schritt geht es nun darum, genau dies möglich zu machen.

Das Forschungsteam, das hinter dem Miniaturisierungsverfahren steht, ist allerdings zuversichtlich: „Diese Errungenschaft ebnet den Weg für den Einsatz von Mobiltelefonen zur Diagnose von Augenkrankheiten oder zur Analyse von Lebensmitteln und Umgebungen auf Dinge wie E. coli und gefährliche Viren“, sagt Guo. „Sie könnte auch futuristische Atomuhren im Chipmaßstab ermöglichen, die eine Navigation erlauben, wenn das GPS beeinträchtigt oder nicht verfügbar ist.“

Die Forschungsergebnisse wurden in Science veröffentlicht.

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

Themen im Artikel

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.