Es ist nicht einfach, Grün zu erzeugen. Seit Jahren fabrizieren Wissenschaftler kleine, hochwertige Laser, die rotes und blaues Licht erzeugen. Die Methode, die sie normalerweise anwenden – das Einspeisen von elektrischem Strom in Halbleiter – hat sich beim Bau winziger Laser, die Licht mit gelben und grünen Wellenlängen aussenden, jedoch nicht so gut bewährt.
Forscher bezeichnen den Mangel an stabilen Miniaturlasern in diesem Bereich des sichtbaren Lichtspektrums als „grüne Lücke“. Das Schließen dieser Lücke eröffnet neue Möglichkeiten in der Unterwasserkommunikation, der medizinischen Behandlung und vielem mehr.
Grüne Laserpointer gibt es bereits seit 25 Jahren, allerdings erzeugen sie nur Licht in einem engen grünen Spektrum und sind nicht in Chips integriert, wo sie zusammen mit anderen Geräten nützliche Aufgaben erfüllen könnten.
Nun haben Wissenschaftler des National Institute of Standards and Technology (NIST) die grüne Lücke geschlossen, indem sie eine winzige optische Komponente modifizierten: einen ringförmigen Mikroresonator, der klein genug ist, um auf einen Chip zu passen. Die Forschung ist veröffentlicht im Journal Licht: Wissenschaft und Anwendungen.
Eine Miniaturquelle für grünes Laserlicht könnte die Unterwasserkommunikation verbessern, da Wasser in den meisten aquatischen Umgebungen für blaugrüne Wellenlängen nahezu durchlässig ist. Weitere mögliche Anwendungen sind Vollfarb-Laserprojektionsdisplays und die Laserbehandlung von Krankheiten, darunter diabetische Retinopathie, eine Vermehrung der Blutgefäße im Auge.
Kompakte Laser in diesem Wellenlängenbereich sind auch für Anwendungen in der Quanteninformatik und -kommunikation wichtig, da sie potenziell Daten in Qubits speichern könnten, der grundlegenden Einheit der Quanteninformation. Derzeit sind diese Quantenanwendungen auf Laser angewiesen, die größer, schwerer und leistungsstärker sind, was ihre Einsatzmöglichkeiten außerhalb des Labors einschränkt.
Seit mehreren Jahren verwendet ein Team unter der Leitung von Kartik Srinivasan vom NIST und dem Joint Quantum Institute (JQI), einer Forschungspartnerschaft zwischen NIST und der University of Maryland, Mikroresonatoren aus Siliziumnitrid, um infrarotes Laserlicht in andere Farben umzuwandeln. Wenn Infrarotlicht in den ringförmigen Resonator gepumpt wird, kreist das Licht tausende Male, bis es eine Intensität erreicht, die hoch genug ist, um stark mit dem Siliziumnitrid zu interagieren. Diese Interaktion, bekannt als optische parametrische Oszillation (OPO), erzeugt zwei neue Lichtwellenlängen, die als Leerlauf- und Signalwellenlänge bezeichnet werden.
In früheren Studien erzeugten die Forscher einige einzelne Farben sichtbaren Laserlichts. Abhängig von den Abmessungen des Mikroresonators, die die Farben des erzeugten Lichts bestimmen, erzeugten die Wissenschaftler rote, orange und gelbe Wellenlängen sowie eine Wellenlänge von 560 Nanometern, genau an der Grenze zwischen gelbem und grünem Licht. Das Team konnte jedoch nicht die gesamte Anzahl gelber und grüner Farben erzeugen, die erforderlich wäre, um die grüne Lücke zu schließen.
„Wir wollten uns nicht darauf beschränken, nur ein paar Wellenlängen zu erreichen“, sagte Yi Sun, Wissenschaftler am NIST und Mitarbeiter der neuen Studie. „Wir wollten den gesamten Wellenlängenbereich der Lücke abdecken.“
Um die Lücke zu schließen, modifizierte das Team den Mikroresonator auf zwei Arten. Zunächst verdickten die Wissenschaftler ihn leicht. Durch die Veränderung seiner Abmessungen konnten die Forscher leichter Licht erzeugen, das tiefer in die grüne Lücke eindrang, bis hin zu Wellenlängen von nur 532 Nanometern (Milliardstel Meter). Mit dieser erweiterten Reichweite deckten die Forscher die gesamte Lücke ab.
Darüber hinaus setzte das Team den Mikroresonator mehr Luft aus, indem es einen Teil der darunterliegenden Siliziumdioxidschicht wegätzte. Dies hatte zur Folge, dass die Ausgabefarben weniger empfindlich auf die Mikroringabmessungen und die Infrarot-Pumpwellenlänge reagierten. Die geringere Empfindlichkeit gab den Forschern mehr Kontrolle bei der Erzeugung leicht unterschiedlicher grüner, gelber, oranger und roter Wellenlängen aus ihrem Gerät.
Als Ergebnis stellten die Forscher fest, dass sie über 150 verschiedene Wellenlängen über die grüne Lücke hinweg erzeugen und fein abstimmen konnten. „Früher konnten wir große Änderungen – von Rot über Orange und Gelb bis hin zu Grün – an den Laserfarben vornehmen, die wir mit OPO erzeugen konnten, aber es war schwierig, innerhalb jedes dieser Farbbänder kleine Anpassungen vorzunehmen“, bemerkte Srinivasan.
Durch Veränderung der Wellenlänge der Infrarotpumpe können die Forscher des NIST Wellenlängen sichtbaren Lichts über die gesamte grüne Lücke hinweg erzeugen. Das unten stehende Video, das von den Forschern aufgenommen wurde, zeigt den Vorgang. Bildnachweis: S. Kelley/NIST
Die Wissenschaftler arbeiten nun daran, die Energieeffizienz bei der Erzeugung der Green-Gap-Laserfarben zu steigern. Derzeit beträgt die Ausgangsleistung nur wenige Prozent der Leistung des Eingangslasers. Eine bessere Kopplung zwischen dem Eingangslaser und dem Wellenleiter, der das Licht in den Mikroresonator leitet, sowie bessere Methoden zur Extraktion des erzeugten Lichts könnten die Effizienz deutlich steigern.
Zu den Autoren gehören Jordan Stone und Xiyuan Lu vom JQI sowie Zhimin Shi von Meta’s Reality Labs Research in Redmond, Washington.
Weitere Informationen:
Yi Sun et al., Weiterentwicklung der optischen parametrischen Kerr-Oszillation auf Chips hin zu kohärenten Anwendungen, die die grüne Lücke abdecken, Licht: Wissenschaft und Anwendungen (2024). DOI: 10.1038/s41377-024-01534-x