Kurzpulslaser schrumpft auf Chipgröße

Pasadena (USA) - Mit extrem kurzen Laserpulsen lassen sich schnelle Abläufe chemischer Reaktionen filmen oder digitale Berechnungen mit Lichtteilchen statt mit Elektronen durchführen. Jeder Puls dauert dabei nur millionstel Teile einer milliardstel Sekunde, kurz Femtosekunden genannt. Bisher füllen diese Laser ganze Laborräume. Doch amerikanischen Physikerinnen und Physikern gelang es nun, einen Kurzpuls-Laser bis auf die Größe eines Computerchips zu schrumpfen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, legten sie damit die Grundlage für extrem kompakte Detektoren für Bakterien und Viren. In Zukunft halten sie sogar optische Atomuhren für möglich, die man wie ein Smartphone mittragen kann.

Das Team um Qiushi Guo vom California Institute of Technology in Pasadena nutzte für ihren Laser das Prinzip der so genannten Modenkopplung. Die Phasen der im Laser schwingenden Eigenzustände, die Moden, werden dabei exakt aufeinander synchronisiert. Dank dieser Phasenkopplung lassen sich extrem kurze Lichtpulse erzeugen. Für ihren Prototyp eines Kurzpuls-Lasers kombinierten die Forschenden einen Laser auf der Basis des III-V-Verbindungshalbleiters Galliumarsenid mit einem Wellenleiter aus kristallinem Lithiumniobat.

Beide Komponenten – Galliumarsenid-Medium und Lithiumniobat-Wellenleiter – ordneten Guo und Kollegen auf einer Unterlage aus Silizium und Siliziumdioxid an. Die gesamte Struktur dieses Laser-Chips war dabei nur wenige Millimeter groß. Im Betrieb stimmten sie ein hochfrequentes elektrisches Feld exakt auf das optische Feld der Laserpulse im Wellenleiter ab. So gelang die angestrebte Modenkopplung. Nur knapp fünf Pikosekunden – millionstel Teile einer millionstel Sekunde – kurze Lichtblitze wiederholten sich mit einer Frequenz von etwa zehn Gigahertz. Die Wellenlänge lag im nahen Infraroten bei 1065 Nanometern. Und die Höchstleistung des Lasers erreichte einen vielversprechenden Wert von einem halben Watt.

„Dieser Ansatz ebnet den Weg für kleine Detektoren in einem Mobiltelefon, um Augenkrankheiten zu diagnostizieren oder Bakterien wie E.Coli und gefährliche Viren nachzuweisen“, sagt Guo. Eine weitere Anwendung liegt in photonischen Chips, die digitale Daten nicht mehr mit Elektronen, sondern viel schneller mit Lichtteilchen verarbeiten. „In Zukunft wären sogar Atomuhren im Chipformat vorstellbar, die eine genaue Navigation ohne GPS-Signal ermöglichen könnten“, sagt Guo. Diese Anwendungen im Blick, wollen die Forschenden einerseits die Leistung ihres Kurzpuls-Lasers weiter erhöhen und andererseits die Pulslängen bis in den Femtosekunden-Bereich verkürzen.