Eine kontrastreiche Gitterstruktur für richtungsabstimmbares Lasern

Laser finden Anwendungen in verschiedenen Bereichen, von der Telekommunikation und Fernerkundung bis hin zur Medizin. Es gibt viele Möglichkeiten, Laseremission oder Lasern von einer Vorrichtung oder einem Material zu erzeugen. Folglich gibt es viele Arten von Lasern mit unterschiedlichen Funktionsprinzipien.

Eine aufkommende und vielversprechende Methode, um Lasern mit hoher Energieeffizienz zu erreichen, ist die Nutzung sogenannter „gebundener Zustände im Kontinuum“ (BICs). Einfach ausgedrückt beschreiben diese Zustände Wellen, die im Raum stark lokalisiert bleiben, aber mit einem kontinuierlichen Spektrum von Wellen koexistieren, die nicht lokalisiert sind (Wanderwellen). Beim Umgang mit Licht, einer elektromagnetischen Welle, können BICs realisiert werden, indem die Geometrie einer einschränkenden periodischen Struktur sorgfältig entworfen wird.

Obwohl Wissenschaftler bereits über einige Arten von BIC-basierten Lasern berichtet haben, können die meisten von ihnen einen Strahl nur in einer perfekt oder fast perfekt vertikalen Richtung von der Oberfläche des Geräts weg emittieren. Diese Einschränkung behindert die Verwendung solcher BIC-Laser in Anwendungen, bei denen ein Abwinkeln des emittierten Strahls erforderlich ist.

Um dieses Problem anzugehen, hat ein Forschungsteam der National Yang Ming Chiao Tung University (NYCU) in Taiwan kürzlich ein neues BIC-Lasergerät entwickelt, dessen Laserrichtung leicht eingestellt werden kann. Ihre Studie, veröffentlicht in Fortgeschrittene Photonikwurde von Tien-Chang Lu, Distinguished Professor in der Abteilung für Photonik an der NYCU, geleitet.

Laut Lu war einer der Hauptgründe, die das Team dazu motivierten, diesen neuen Richtlaser zu entwickeln, sein potenzieller Einsatz in Lidar-Systemen. „Bei aktuellen Lidar-Techniken erfolgt das Scannen mit Laserlicht hauptsächlich mit mechanischen oder mikroelektromechanischen Spiegeln, die sperrig, teuer und bei rauen Straßenbedingungen möglicherweise unzuverlässig sind“, erklärt er. „Viele Menschen bemühen sich sehr, ein echtes Solid-State-Lidar-System zu bauen, das diese mechanischen Spiegel eliminieren und dennoch die Nachfrage nach Strahllenkungsfunktionen erfüllen kann.“

Das vorgeschlagene BIC-Laserdesign adressiert genau diese Forderung nach Strahllenkbarkeit. In ihrer Arbeit entwarf das Team sorgfältig eine Gerätegeometrie, die Friedrich-Wintgen-BIC (FW-BIC) produziert. Diese Art von BIC entsteht aus der Kopplung zweier Resonanzzustände (Energiezustände, die sich in der Nähe der Resonanzenergie wie gebundene Zustände verhalten, aber bei Energien weit von der Resonanzenergie entfernt als Kontinuumszustände), die sich in demselben Hohlraum befinden und über denselben Emissionskanal strahlen. Die Hauptbedingung für die Erzeugung von FW-BIC ist, dass die von diesen Resonanzen kommende Strahlung im Fernfeldbereich (d. h. vom Gerät entfernt) destruktiv interferieren sollte, wodurch sichergestellt wird, dass ihre Energie notwendigerweise in der Kavität eingeschlossen wird. Einfach ausgedrückt, das in einem FW-BIC-Lasergerät enthaltene Licht wird stark begrenzt und erfährt im Laufe der Zeit nur eine sehr geringe Dämpfung (was einen hohen Q-Faktor impliziert), was eine perfekte Umgebung zum Erreichen von Laserbedingungen bietet.

Aber wie hilft FW-BIC bei der Entwicklung eines Richtlasers? Um dies herauszufinden, bauten die Forscher einen Laserhohlraum mit einer eindimensionalen, aufgehängten, kontrastreichen Gitterstruktur, die zu FW-BIC führte. Sie fanden heraus, dass eine Änderung der Geometrie dieses Gitters die Kopplungsmodi des FW-BIC beeinflusste und wiederum die Richtung des emittierten Strahls veränderte. Diese faszinierende Eigenschaft bot eine einfache Möglichkeit, den Abstrahlwinkel mit großer Präzision zu ändern.

„In unseren Experimenten konnten wir den Emissionswinkel über einen weiten Bereich einstellen, insbesondere von -40° bis +40°, was der größte Winkel ist, der experimentell für BIC-Laser nachgewiesen wurde“, betont Lu. „Diese Funktion bietet auch eine größere Flexibilität und könnte es uns ermöglichen, ein Laserarray für Mehrwinkellaser mit einem Sichtfeld von bis zu 80° zu entwerfen. Dies wäre eine wünschenswerte Funktion für Festkörper-Lidar-Anwendungen.“

Das Team hat hohe Erwartungen an die vorgeschlagene Beam-Steering-Lösung, die keine externen passiven Komponenten zur Modulation des Abstrahlwinkels benötigt und somit eine höhere Energieeffizienz erreicht. Hoffentlich würde das vorgeschlagene Design die Entwicklung von großformatigen, hochauflösenden Laserscansystemen mit Anwendungen in der Lidar- und 3D-Erfassung ermöglichen.