Erster Pulslaser in Chipgröße

Hohe Leistung trotz Mini-Format: Für intensive ultrakurze Laserpulse ist bald keine tischgroße Laserapparatur mehr nötig – es geht auch im Chipformat. Denn Physikern ist es gelungen, diese leistungsstarken, phasengekoppelten Laser bis auf Chipgröße zu schrumpfen. Obwohl er auf eine Fingerspitze passt, kann ihr Prototyp dieses Mini-Lasers schon ultrakurze Laserpulse von wenigen Pikosekunden und mit Leistungen von bis zu 0,5 Watt erzeugen. In Zukunft sollen auch Femtosekunden-Laser mit gut einem Watt Pulsstärke möglich sein, so das Team in „Nature Photonics“.

Laser sind in Alltag und Forschung längst unverzichtbar – dies gilt vor allem für Pulslaser, die ultrakurze, kohärente Strahlenpulse im Femto- und Attosekundenbereich erzeugen. Mit ihnen lassen sich schnellste Prozesse sichtbar machen, wie der Ablauf chemischer Reaktionen, die Bewegung von Elektronen in Materialien oder von Botenstoffen in einer Zelle. Auch in der Photonik, in Quantencomputern und der Quantenphysik kommen solche Pulslaser zum Einsatz.

Allerdings sind diese Laser bisher teuer, groß und benötigen viel Energie. Zwar haben Physiker schon Chips mit Mikro-Farblasern, grüne Nanolaser sowie Photonenquellen in Quantenchips erstellt. Diese können aber entweder keine ultrakurzen Pulse erzeugen oder sind für viele gängige Anwendungen nicht leistungsstark genug.

Die Phasenkopplung ist das Entscheidende

Das Problem: Um Laserpulse trotz ihrer kurzen Dauer auf hohe Intensität zu bringen, ist ein spezielles Verfahren nötig. Bei dieser Moden- oder Phasenkopplung werden die im Lasermedium erzeugten stehenden Lichtwellen, die sogenannten Moden, so miteinander kombiniert, dass sich die Wellenberge in bestimmten zeitlichen Abständen gegenseitig verstärken. So entsteht eine Abfolge ultrakurzer, regelmäßiger und intensiver Laserpulse.

„Unser Ziel ist es, das Feld der ultraschnellen Photonik zu revolutionieren, indem wir große laborbasierte Lasersysteme in nur noch chipgroße umwandeln“, sagt Erstautor Qiushi Guo vom California Institute of Technology. Das würde die Massenproduktion erleichtern und die Pulslaser günstiger und vielseitiger einsetzbar machen. „Aber dafür müssen wir sicherstellen, dass diese ultraschnellen, chipgroßen Pulslaser auch eine ausreichende Leistung bringen: Für einen sinnvoll einsetzbaren Chip-Laser brauchen wir Puls-Peak-Leistungenvon vorzugsweise mehr als einem Watt“, so Guo weiter.

Hohe Pulsleistung trotz Miniaturformat

Jetzt haben Guo und sein Team erstmals einen phasengekoppelten Pulslaser entwickelt, der diesem Ziel sehr nahe kommt: Ihr Laser-Prototyp ist nur 1,5 Millimeter groß, in einen Mikrochip integriert und kann Laserpulse von knapp fünf Pikosekunden Dauer und einer Peak-Leistung von 0,5 Watt erzeugen. „Unser integrierter, phasengekoppelter Laser bietet damit die höchste Energieintensität und die höchste Peak-Pulsleistung aller bisherigen Pulslaser auf nanophotonischen Plattformen“, so das Team.

Der neue Mikro-Pulslaser besteht aus zwei Hauptkomponenten. Die erste ist das Lasermedium aus Galliumarsenid, einem oft in Halbleiterlasern und Leuchtdioden eingesetzten Halbleitermaterial. An diesen Laseremitter schließt sich die zweite Komponente an – der Teil, in dem die Phasenkopplung und Verstärkung stattfindet. Sie besteht aus einer Siliziumunterlage mit einer dünnen Auflage aus Lithiumniobat (LiNbO₃). Dieser nichtlineare, photonische Kristall enthält einen elektrooptischen Phasenmodulator und einen schleifenförmigen, als Spiegel dienenden Wellenleiter.

Durch Anlegen eines elektrischen Feldes im Radiofrequenzbereich lässt sich das Laserlicht in diesem Phasenmodulator gezielt manipulieren und zu leistungsstarken Pulsen bündeln, wie das Team erklärt.

Neue Möglichkeiten für photonische Anwendungen

Das Ergebnis ist ein chipgroßer Laser, der ultrakurze infrarote Laserpulse mit hoher Leistung produziert. „Neben seiner kompakten Größe zeigt unser Laser auch eine Reihe weiterer vielversprechender Eigenschaften“, erklärt Guo. „Wir können beispielsweise die Wiederholfrequenz der Pulse in einem breiten Bereich frei einstellen.“ Der Abstand der ultrakurzen Laserpulse lässt sich so gezielt an die jeweilige Anwendung anpassen.

Nach Ansicht der Physiker eröffnet ihre Lasertechnologie damit neue Möglichkeiten der Miniaturisierung von photonischen Anwendungen. „Indem wir einen leistungsstarken, phasengekoppelten Laser auf einen nanophotonischen Chip bringen und ihn mit anderen Komponenten verbinden, können wir solche Laseranwendungen vom Metermaßstab auf Chipgröße bringen“, sagt Guos Kollege Alireza Marandi. So könnten künftig beispielsweise auch Experimente mit den gerade erst mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichneten Attosekunden-Lasern kleiner und billiger werden.

Aber auch andere Anwendungen könnten von phasengekoppelten Lasern im Chip-Maßstab profitieren: „Dies könnte zukünftig Atomuhren in Chipgröße ermöglichen oder auch den Einsatz von Smartphones für die Analyse von Lebensmitteln und Umweltfaktoren, den Nachweis von Bakterien und Viren oder auch die Diagnose von Augenerkrankungen“, sagt Guo. (Science, 2023; doi: 10.1126/science.adj5438)

Quelle: California Institute of Technology, Advanced Science Research Center, GC/CUNY