Erster Titan-Saphir-Laser im Chipformat

Durchbruch in der Lasertechnik: Einem US-Team ist es erstmals gelungen, den für Forschung und Technik wichtigen Titan:Saphir-Laser zu miniaturisieren – und trotzdem seine hohe Leistung und Bandbreite zu erhalten. Das neue Laserbauteil ist nur wenige Millimeter groß und benötigt zur Anregung nur einen gängigen grünen Laserpointer, wie das Team in „Nature“ berichtet. Herkömmliche Titan:Saphir-Laser sind 10.000-mal größer und tausendfach teurer, was ihre Anwendung bisher stark eingeschränkt hat. Das könnte sich nun ändern.

Ob als Femtosekundenlaser, in Plasmabeschleunigern, der Quantenphysik oder der Spektroskopie: Titan:Saphir-Laser kommen heute überall dort zum Einsatz, wo ultrakurze, energiereiche Laserpulse großer Bandbreite benötigt werden. Basis dieses Festkörperlasers bildet ein Korund-Kristall, der Titan-Ionen enthält. Diese Ionen haben mehrere Anregungszustände, in denen sie Photonen abgeben. Dadurch kann der Titan:Saphir-Laser intensives, kohärentes Laserlicht abhängig von der Anregung im breiten Wellenbereich zwischen 670 und 1070 Nanometern abgeben.

„Modengekoppelte sowie kontinuierliche Titan-Saphir-Laser sind in ihrer Leistung bisher unerreicht und essenziell für Fachgebiete wie die Quantenoptik und Atomphysik“, erklären Joshua Yang und seine Kollegen von der Stanford University. Auch für Laserfrequenzkämme, die Laser-Spektroskopie und die Laser-Mikroskopie kommen diese passgenau stimmbaren Laser zum Einsatz. Das Problem jedoch: Titan:Saphir-Laser sind groß, benötigen leistungsstarke, teure Pumplaser und können insgesamt zehntausende Euro kosten. „Das verhindert ihre breite Nutzung in vielen alltagsnahen Applikationen, die Kompaktheit und Skalierbarkeit erfordern“, so das Team.

Ringresonator und Spiral-Verstärker

Doch nun ist es Yang und seinem Team erstmals gelungen, den Titan:Saphir-Laser bis auf Chipgröße zu schrumpfen, ohne dass dessen Bandbreite und Leistung leidet. Basis ihres neuen Mini-Lasers bildet ein Saphir-Kristall, auf dem eine Siliziumdioxidschicht sitzt. Auf dieser sitzt eine weitere, nur wenige hundert Nanometer dicke Saphirschicht, die mit Titan-Ionen dotiert ist – das Lasermedium. In dieses ist eine kreisförmige Struktur eingeätzt, die als Ringresonator dient und die erzeugten Photonen sammelt.

Für eine hohe Laserleistung wird als nächstes ein optischer Verstärker benötigt, der die vom Lasermedium erzeugten Photonen weiter anreichert und bündelt. Diese Funktion übernimmt ein spiralig gewundener Wellenleiter, den die Forscher mittels Elektronenstrahl-Lithografie in die Titan:Saphir-Schicht ätzen. Die winzigen Lichtleiterkanäle sind nur einen Mikrometer breit und wären entrollt acht Millimeter lang. Der photonische Mini-Verstärker erhöht die Leistung von 240 Milliwatt des Pumplasers auf ein Kilowatt Ausgabeleistung der Laserpulse.

„Das ist mehr als eine Größenordnung stärker als die höchste bisher demonstrierte integrierte Puls-Verstärkung“, erklären die Physiker. „Gleichzeitig ist dies der einzige Chip-integrierte leistungsstarke Verstärker mit Transformations-Limitierung für jede Wellenlänge.“ Letzteres bedeutet, dass der Mini-Laser damit ultrakurze, intensive Laserpulse ohne Verzerrung produzieren kann.

Zur Anregung reicht ein Laserpointer

Ähnlich wie die großen Titan:Saphir-Laser ist auch die Wellenlänge des kleinen Chip-Lasers einstellbar. Über einen Ringresonator mit angeschlossenem Heizelement, beide ebenfalls im Mikrometerformat, ließ sich die Lichtwellenlänge der Prototypen bereits von 790 bis 930 Nanometern variieren – vom roten Licht bis ins Infrarot. „Selbst ohne Optimierung des Designs erreichen unsere Laser bereits die Einstell-Bandbreite kommerzieller Lösungen“, schreibt das Team. Mit einem zusätzlichen Filter könnte sogar die volle Bandbreite der Titan-Ionen von 650 bis 1100 Nanometern erreicht werden.

Ein weiteres Plus: Anders als sein tischgroßes Gegenstück reicht dem Chip-Laser ein gängiger grüner Laserpointer zur Anregung des Lasermediums. „Bisher wurden dafür zehn Kilogramm schwere, 30.000 US-Dollar teure Pumplaser benötigt, wir kommen mit einer handelsüblichen Laserdiode für 37 US-Dollar aus“, so die Forschenden.

In einem praktischen Anwendungstest setzten Yang und sein Team ihre Mini-Laser in einem quantenphysikalischen Experiment ein, bei dem das Verhalten von Quantenpunkten in einem Siliziumcarbid-Kristall untersucht wird. Dafür tauschten sie alle herkömmlichen Titan:Saphir-Laser gegen ihre Chiplaser aus. „Die Laser wurde dabei in einer Plug-and-Play-Konfiguration verwendet: Die Tischlaser wurden ersetzt, ohne dass Modifikationen nötig waren“, berichten Yang und seine Kollegen. Die Messungen waren erfolgreich.

„Demokratisierung des Titan:Saphir-Lasers“

Nach Ansicht der Wissenschaftler eröffnet der miniaturisierte Titan:Saphir-Laser ganz neue Möglichkeiten der Anwendung. „Wenn man den Sprung von tischgroßen Anlagen auf etwas schafft, das mit geringen Kosten auf einem Chip produziert werden kann, dann ist das ein wichtiger Durchbruch“, sagt Yang. Denn dann werden diese Laser für jedes Forschungslabor und auch für Alltagsanwendungen erschwinglich.

„Ein Chip ist leicht, tragbar und effizient. Es gibt keine bewegliche Teile – und er kann in Massenfertigung hergestellt werden“, so Yang weiter. „Das demokratisiert die Titan:Saphir-Laser.“ Einsetzbar wären die neuen Mini-Laser beispielsweise in Quantencomputern, in Laser-Frequenzkämmen, der Optogenetik oder auch der Laserchirurgie. Auch für Displays, die Kommunikationstechnologie und Sensoren könnten sich solche Chip-integrierten Titan:Saphir-Laser eignen. (Nature, 2024; doi: 10.1038/s41586-024-07457-2)

Quelle: Nature, Stanford University