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.
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.
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.“
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