Nanolaser mit doppelter Leistung

Eine noch junge Klasse von Lasern kann Licht aussenden, dessen Wellenlängen um ein Vielfaches größer sind als die Laserstrukturen selbst. Diese Nanolaser werden bevorzugt als Quellen für Infrarot- und Terahertzstrahlung genutzt. Anwendung finden sie in der Medizintechnik oder für spektroskopische Analysen. Nun berichten Physiker um Ali Khalatpour vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge in der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ über eine elegante Methode, um die Leistung dieser vielseitigen Laser nahezu zu verdoppeln.

Nanolaser unter dem Mikroskop

In ihren Experimenten nutzten die Wissenschaftler einen Nanolaser, der aus Dutzenden nur wenige Nanometer dünnen Schichten aufgebaut ist. Letztere bestehen aus Verbindungshalbleitern wie Galliumarsenid und Aluminiumgalliumarsenid. Mit einer angelegten Spannung lassen sich Elektronen in diesen Schichten so anregen, dass sie zwischen verschiedenen Energieniveaus wechseln können. Dabei senden sie Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge aus. Anders als bei herkömmlichen Lasern lässt sich die Wellenlänge dieses Lichts nicht nur durch die verwendeten Materialien, sondern auch abhängig von der Struktur der Halbleiterschichten verändern.

Allerdings senden diese Laser ihr Licht wegen des symmetrischen Aufbaus der dünnen Halbleiterschichten sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung aus. Um die Intensität des nutzbaren Lichts deutlich zu erhöhen, wollten Khalatpour und seine Kollegen nun möglichst viel Licht in nur eine Richtung lenken. In komplexen Computersimulationen untersuchten sie zunächst, wie die emittierte Strahlung mit den Laserstrukturen zusammenhängt. Die Lösung ihres Problems fand die Gruppe in einer geschickten Anordnung von mikrometergroßen Reflektorelementen hinter der eigentlichen Laserlichtquelle. Diese Elemente reflektierten das nach hinten austretende Laserlicht derart, dass es sich mit den Lichtwellen in Vorwärtsrichtung konstruktiv überlagerte. Das Ergebnis: Die Intensität der ausgesendeten Lichtwellen ließ sich fast verdoppeln.

Der Prototyp dieses Nanolasers sendet Terahertzstrahlung mit einer Wellenlänge von knapp 80 Mikrometern und einer Frequenz von 3,83 Terahertz aus. Das Prinzip der Leistungsverdopplung sei nach Aussage der Forscher aber auch auf andere Wellenlängen übertragbar. Damit steht eine relativ einfache Methode zur Verfügung, um intensivere Laserlichtquellen für spektroskopische Analysen oder auch die optische Übertragung von Daten entwickeln zu können.