Lasertechnik: Hoffnung auf Femtosekundenlaser für die Hosentasche

An der Universität Yale wurde ein Titan-Saphir-Laser auf einem Chip erzeugt und fortgeschrittene Lasertechnik auf Millimetergröße geschrumpft.

Artikel veröffentlicht am 3. Februar 2023, 15:57 Uhr, Frank Wunderlich-Pfeiffer

Aufbau eines herkömmlichen Femtosekundenlasers (Bild: Wikimedia / Aksy88/CC-BY-SA 4.0)

Femtosekundenlaser gehören mittlerweile zu den alltäglichen Werkzeugen in der Wissenschaft. Sie passen inzwischen auf einen Tisch, aber nicht in ein Handy oder andere kleine Geräte. Denn das zentrale Bauteil ist ein Titan-Saphir-Laser, dessen Größe die Abmessungen des gesamten Geräts bestimmt.

An der Yale-Universität (USA) steht nun ein Laser, in dem das eigentliche Laserelement des Titan-Saphir-Lasers auf einem Chip nur noch einen halben Millimeter groß ist. Damit sollen Femtosekundenlaser und andere Anwendungen nicht nur deutlich kleiner und billiger werden, sondern auch weniger Leistung benötigen.

Der 1982 entwickelte Titan-Saphir-Laser ist ein Pumplaser, der Licht in einem breiten Spektrum von Rot bis Infrarot verstärken kann. Dabei werden die Titanatome in dem Saphirkristall zunächst durch einen zweiten Laserstrahl angeregt, einen Pumplaser.

Sie befinden sich anschließend in einem energiereichen, metastabilen Zustand. In diesem können sie Energie in Form von Photonen einer bestimmten Wellenlänge abgeben, wenn sie Licht der gleichen Wellenlänge ausgesetzt werden. Dieser Effekt der stimulierten Emission ist der Umkehrprozess der Absorption und wurde 1905 von Albert Einstein vorhergesagt.

Der Laser selbst ist ein Resonator, in dem Licht beispielsweise zwischen Spiegeln reflektiert wird, dadurch den Kristall immer wieder durchläuft und einzelne Atome zu einer stimulierten Emission anregen kann, bei der das Licht weiter verstärkt wird. Allerdings wird dafür eine relativ große Leistung benötigt, um eine effektive Lichtverstärkung zu erzeugen. Der Grund ist, dass die Elektronen der angeregten Titanatome ihre Energie schon nach durchschnittlich 3,2 Mikrosekunden spontan wieder abgeben, wenn es nicht zu einer stimulierten Emission gekommen ist.

Ein Laser auf dem Chip

Selbst wenn eine schmale Saphirfaser, ähnlich einer Glasfaser, benutzt wird, bleibt das Problem der Spiegel des Resonators. Anders als in echten Glasfasern kann Licht in Saphir auch nur schwer durch Variation des Brechungsindexes im Material konzentriert und geleitet werden, was den Bau eines kompakten Lasers mit weniger Leistung möglich machen würde.

In Yale wurde deshalb ein Ring aus Titan-Saphir auf einem Wafer erzeugt, ein photonischer integrierter Schaltkreis, ähnlich den integrierten Schaltkreisen in der Halbleitertechnik. Der Ring ist von einer Schicht aus Siliziumnitrid mit höherem Brechungsindex umgeben, durch den das Licht wie in einer Glasfaser eingeschlossen wird. Der Pumplaser wird über einen zweiten Ring, der sich direkt über dem ersten befindet, durch die Siliziumnitridschicht eingekoppelt. Dafür diente im Experiment ein kommerzieller Indium-Gallium-Nitrid-Laser.

Je nach weiteren angeschlossenen optischen Bauteilen kann mithilfe des Resonators ein Laserstrahl einer ganz bestimmten Wellenlänge erzeugt werden. Es können aber auch ein Femtosekundenlaser, ein Frequenzkamm zur Informationsübertragung oder Bauteile für optische Quantencomputer gebaut werden. Der Laserresonator verstärkte der Forschungsgruppe zufolge Licht ab einer Leistung von 6,5 mW, was aber durch weitere Optimierung unter 1 mW sinken soll.

Von der ersten Labordemonstration bis zur Massenproduktion von Titan-Saphir-Lasern in Millimetergröße und deren Anwendung dürfte es allerdings noch mehrere Jahre dauern.