Neuer Halbleiterlaser liefert hohe Leistung bei einer einzigen Frequenz

Forscher in den USA haben Laser hergestellt, die auf beliebig hohe Leistungen skalierbar sein sollen und dabei ihre Frequenzreinheit beibehalten. Ihre Erfindung, die auf einem Analogon zur Physik der Elektronen in einem Dirac-Halbleiter wie Graphen beruht, löst ein Problem, das auf die Erfindung des Lasers zurückgeht. Die Forscher glauben, dass ihre Arbeit auch zu grundlegenden theoretischen Entdeckungen in der Quantenmechanik auf makroskopischen Skalen inspirieren könnte.

Jeder Laser besteht im Wesentlichen aus zwei wesentlichen Komponenten: einem Hohlraum und einem Verstärkungsmedium – normalerweise einem Halbleiter, erklärt Boubacar Kanté von der University of California in Berkeley – der leitende Autor eines Artikels, der in Nature erscheinen wird und die Laser beschreibt. „Der Halbleiter sendet einen breiten Frequenzbereich aus, und der Hohlraum wählt aus, welche Frequenz verstärkt wird, um die Laserschwelle zu erreichen.“

Das Problem besteht darin, dass jeder Hohlraum nicht nur die „Grundfrequenz“ eines Lasers im Grundzustand unterstützt, sondern auch mehrere angeregte Zustände höherer Frequenz. Wenn man den Hohlraum stärker pumpt, um die Leistung des Lasers zu steigern, werden diese höherfrequenten Zustände unweigerlich in Richtung der Laserschwelle angeregt. Laser mit höherer Leistung benötigen größere Hohlräume, diese unterstützen jedoch ein dichteres Frequenzspektrum.

„Wenn sich der Gewinn nur mit der Grundschwingung überschneidet, dann wird nur die Grundschwingung lasern, und die Leute stellen ständig und ohne Probleme Nanolaser her“, sagt Kanté. „Aber wenn der Modus höherer Ordnung nahe kommt, kann man nicht zwischen den beiden unterscheiden und sie werden beide lasieren. Das ist ein sechs Jahrzehnte altes Problem: Jeder weiß es, und niemand weiß, was man dagegen tun soll.“

Das heißt, bis jetzt. Wenn der Grundhohlraummodus in der Lage wäre, die gesamte Energie aus dem Verstärkungsmedium zu absorbieren, so die Überlegungen der Forscher, würden alle Modi höherer Ordnung unterdrückt. Das Problem bei einem herkömmlichen Laserhohlraum besteht darin, dass die Grundzustandswellenfunktion in der Mitte des Hohlraums ihr Maximum erreicht und zu den Rändern hin auf Null abfällt. „In jedem oberflächenemittierenden Laser oder jedem Hohlraum, den wir bisher kennen … gibt es kein Lasern [bei der Grundfrequenz] vom Rand aus“, erklärt Kanté; „Wenn vom Rand aus kein Laserstrahl erzeugt wird, steht dort viel Gewinn zur Verfügung. Und deshalb bleibt der Modus zweiter Ordnung am Rand, und sehr bald wird der Laser zum Multimode.“

Um dieses Problem zu umgehen, verwendeten Kanté und Kollegen photonische Kristalle. Dabei handelt es sich um periodische Strukturen, die wie elektronische Halbleiter „Bandlücken“ haben – Frequenzen, bei denen sie undurchsichtig sind. Wie Graphen in der Elektronik enthalten photonische Kristalle im Allgemeinen Dirac-Kegel in ihren Bandstrukturen. An der Spitze eines solchen Kegels befindet sich der Dirac-Punkt, an dem sich die Bandlücke schließt.

Die Forscher entwarfen einen Laserhohlraum, der ein sechseckiges photonisches Kristallgitter enthielt, das an den Rändern offen war, sodass Photonen in den Raum um den Kristall eindringen konnten, was bedeutete, dass die Wellenfunktion an seinem Rand nicht auf Null beschränkt war. Der photonische Kristall hatte einen Dirac-Punkt bei Nullimpuls. Da der Impuls proportional zum Wellenvektor ist, war der Wellenvektor in der Ebene daher Null. Dies bedeutet, dass der Hohlraum tatsächlich einen Modus unterstützte, der im gesamten Gitter einen einzelnen Wert hatte. Vorausgesetzt, der Hohlraum wurde mit der Energie dieses Modus gepumpt, ging nie Energie in einen anderen Modus über, egal wie groß der Hohlraum war. „Das Photon hat keinen Impuls in der Ebene, es bleibt also nur noch, dass es vertikal entweicht“, erklärt Kanté.

Die Forscher stellten Hohlräume mit 19, 35 und 51 Löchern her: „Wenn man nicht mit der Dirac-Frequenzsingularität pumpt, sieht man Laserstrahlen mit mehreren Spitzen“, sagt Kanté. „Bei der Dirac-Singularität wird es nie zum Multimode. Der flache Modus entfernt die Verstärkung für die Modi höherer Ordnung.“ Theoretische Modellierungen legen nahe, dass das Design auch für Hohlräume mit Millionen von Löchern funktionieren sollte.

Topologische Quelle emittiert Licht mit hohen und mehreren Bahndrehimpulsen

Kanté glaubt, dass die von seinem Team entwickelten Konzepte in Zukunft Auswirkungen auf die Elektronik selbst und auf die Skalierbarkeit der Quantenmechanik auf die makroskopische Welt im Allgemeinen haben könnten. „Die ganze Herausforderung in der Quantenwissenschaft ist die Skalierung“, sagt er. „Die Leute arbeiten an supraleitenden Qubits, gefangenen Atomen, Defekten in Kristallen … das Einzige, was sie wollen, ist die Skalierung. Ich behaupte, dass es mit der grundlegenden Natur der Schrödinger-Gleichung zu tun hat: Wenn das System geschlossen ist, funktioniert es nicht. t-Skalierung; wenn das System skaliert werden soll, muss das System Verluste haben“, sagt er.

Liang Feng von der University of Pennsylvania fügt hinzu: „Der Singlemode-Breitflächenlaser ist einer der heiligen Grale, die von der Halbleiterlaser-Community aktiv verfolgt werden, und Skalierbarkeit ist der wichtigste Vorzug.“ „[Kantés Arbeit] zeigt genau das, wonach Menschen suchen, und sie demonstriert eine außergewöhnliche Skalierbarkeit, die durch hervorragende experimentelle Ergebnisse gestützt wird. Offensichtlich muss noch mehr Arbeit geleistet werden, um diese Strategie, die in optisch gepumpten Lasern demonstriert wurde, in brauchbare elektrisch injizierte Diodenlaser umzuwandeln, aber Wir können davon ausgehen, dass diese Arbeit eine neue Generation von Hochleistungslasern inspirieren wird, die mehreren bahnbrechenden Branchen wie Virtual- und Augmented-Reality-Systemen, LiDARs, Verteidigung und vielen anderen, in denen Laser eine entscheidende Rolle spielen, zugute kommen kann.“

Das Team hat sein Gerät Berkeley Surface Emitting Laser (BerkSEL) getauft und beschreibt es in einer unbearbeiteten Vorschauversion seines Artikels, der derzeit auf der Nature-Website verfügbar ist.