Licht aus Glas: Forscher haben erstmals einen komplett aus Glas bestehenden Laser entwickelt. Er erzeugt intensive, hochfokussierte Femtosekunden-Pulse und ist vollständig in ein nur Kreditkarten-großes Plättchen aus Silikatglas integriert. Der Clou daran: Die Spiegel und Hohlräume des Glaslasers werden erst mithilfe eines zweiten Lasers gefertigt und dann durch erneute Bestrahlung justiert. Einmal angepasst, ist der Glaslaser dann einfach und ohne aufwendige Nachjustierungen einsetzbar, wie das Team erklärt.
Laser sind aus Alltag, Technik und Forschung längst nicht mehr wegzudenken. Von besonderer Bedeutung sind dabei gepulste Laser, die ultrakurze, hoch fokussierte Lichtpulse erzeugen können. Bei Femtosekunden-Lasern dauern diese Pulse jeweils nur wenige Billiardstel Sekunden, sind aber dennoch hoch regelmäßig und kohärent. Sie werden unter anderem in der Medizin, der Quantenphysik, der Spektroskopie oder im Micro-Manufacturing eingesetzt.
Das Problem der Justierung
Das Problem jedoch: Bei den meisten kommerziellen Femtosekunden-Laser müssen die frei auf einer Unterlage montierten Spiegel und anderen optischen Komponenten vor jedem Einsatz erst aufwendig und zeitraubend justiert werden. Sie sind zudem sehr leicht wieder verstellbar. „Wenn man ständig das Prozedere dieser komplexen optischen Ausrichtungen absolvieren muss, träumt man von einer einfacheren und verlässlicheren Methode der Justierung“, sagt Erstautor Yves Bellouard von der Polytechnischen Hochschule Lausanne (EPFL).
Das brachte ihn auf eine Idee: Man könnte einen Laser konstruieren, bei dem die optischen Komponenten so in ein Glassubstrat integriert sind, dass sie nur einmal eingestellt werden müssen und dann dauerhaft justiert bleiben. „Anders als bisherige Ansätze beruht unser Konzept auf einem mikrobearbeiteten Substrat mit vordefinierten Komponenten-Halterungen und eingebetteten Justierungselementen“, erklären die Forscher. Um das zu verwirklichen, kamen sie auf die Idee, einen komplett aus Glas gefertigten Laser zu entwickeln.
Ein Laser ganz aus Glas?
Ausgangsmaterial des Glaslasers ist ein dünnes Plättchen Silikatglas von der Größe einer Kreditkarte. „Wir nutzen Glas, weil dieses nur eine geringe thermische Ausdehnung zeigt, es ist zudem stabil und transparent“, erklärt Bellouard. Mithilfe eines herkömmlichen Femtosekunden-Lasers schneiden die Forscher nun die Kanäle und Hohlräume ein, die das Glasplättchen zum optischen Resonator machen. Auch die Gruben für die Spiegel und Linsen werden so gefertigt. Parallel dazu werden aus einem weiteren Glasstück die in die Aussparungen passenden optischen Komponenten erstellt.
Dann folgt der Zusammenbau: Die Spiegel und Linsen werden per Hand oder per Roboter in dafür vorgesehene Gruben eingefügt. Eine winzige Klammerkonstruktion aus Glas hält sie am Platz. Trotz der Mikrometer-genauen Fertigung sind diese optischen Elemente aber noch nicht genau genug justiert. „Die Präzision der Ausrichtung reicht noch nicht, um ein stabiles Lasing zu erreichen“, erklären Bellouard und sein Team.
Femtosekunden-Laser fertigt Femtosekunden-Laser
Deshalb kommt nun der Femtosekunden-Laser ein zweites Mal zum Einsatz: Die Laserpulse werden gezielt auf die dünnen Halterungen der optischen Komponenten gerichtet. Dies bewirkt Verformungen im Sub-Nanometer-Bereich, durch die Winkel und Position mit hoher Präzision nachjustiert werden. Der Clou dabei: Sobald der Glaslaser einen fokussierten, stabilen Laserstrahl erzeugt, schaltet man den Hilfslaser ab und das Ensemble erstarrt in der gewünschten Ausrichtung.
„Im Prinzip nutzen wir einen Femtosekunden-Laser, um einen weiteren Femtosekunden-Laser herzustellen – nicht nur für die Bearbeitung des Substrats, sondern auch für die Feinjustierung und Ausrichtung“, erklären die Forscher.
Ultrakurze Pulse mit einer Leistung bis zu 800 Watt
Das Ergebnis ist ein Laser, der präzise einstellbar, kompakt und bis auf den als Lichtquelle dienenden Yb:KYW-Halbleiterkristall fast komplett aus Glas besteht. In ersten Tests erreichte der kreditkartengroße, passiv gekühlte Glaslaser eine Spitzenleistung von knapp 800 Watt und eine Pulswiederholrate von gut einem Gigahertz. Die einzelnen Pulse waren dabei rund 180 Femtosekunden lang. Den Forschern zufolge sind aber auch Wiederholraten von bis zu 100 Gigahertz mit diesem Konzept machbar.
„Dieser Ansatz, freie optische Komponenten mithilfe der lasergestützten Glasbearbeitung permanent auszurichten, kann auf eine breite Palette optischer Schaltkreise ausgeweitet werden“, erklärt Bellouard. (Optica, 2023; doi: 10.1364/OPTICA.496503)
Quelle: Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)
