Nanolaser sind Mikro- und Nanogeräte, die aus Nanomaterialien wie Nanodrähten als Resonatoren bestehen und unter Licht- oder elektrischer Anregung Laserstrahlung emittieren können. Die Größe solcher Laser beträgt oft nur wenige hundert oder sogar nur wenige zehn Mikrometer, der Durchmesser liegt im Nanometerbereich. Sie sind ein wichtiger Bestandteil zukünftiger Dünnschichtdisplays, integrierter Optik und anderer Bereiche.
Klassifizierung von Nanolasern:
1. Nanodrahtlaser
Im Jahr 2001 entwickelten Forscher an der University of California in Berkeley (USA) den weltweit kleinsten Laser – einen Nanolaser – auf einem nanooptischen Draht, der nur ein Tausendstel der Länge eines menschlichen Haares misst. Dieser Laser sendet nicht nur ultraviolettes Licht aus, sondern kann auch so eingestellt werden, dass er Laserstrahlen im Bereich von Blau bis tiefem Ultraviolett aussendet. Die Forscher verwendeten ein Standardverfahren namens orientierte Epiphytose, um den Laser aus reinen Zinkoxidkristallen herzustellen. Zunächst „züchteten“ sie Nanodrähte, d. h. sie bildeten sie auf einer Goldschicht mit einem Durchmesser von 20 bis 150 nm und einer Länge von 10.000 nm aus reinen Zinkoxiddrähten. Als die Forscher dann die reinen Zinkoxidkristalle in den Nanodrähten mit einem weiteren Laser unter einem Gewächshaus aktivierten, sendeten die reinen Zinkoxidkristalle Laserlicht mit einer Wellenlänge von nur 17 nm aus. Derartige Nanolaser könnten eines Tages zur Identifizierung von Chemikalien und zur Verbesserung der Speicherkapazität von Computerfestplatten und photonischen Computern eingesetzt werden.
2. Ultravioletter Nanolaser
Nach dem Aufkommen von Mikrolasern, Mikroscheibenlasern, Mikroringlasern und Quantenlawinenlasern entwickelten der Chemiker Yang Peidong und seine Kollegen an der University of California in Berkeley Nanolaser für Raumtemperatur. Dieser Zinkoxid-Nanolaser kann unter Lichtanregung Laserlicht mit einer Linienbreite von weniger als 0,3 nm und einer Wellenlänge von 385 nm emittieren. Er gilt als der kleinste Laser der Welt und als eines der ersten praxistauglichen Geräte, das mithilfe der Nanotechnologie hergestellt wurde. In der Anfangsphase der Entwicklung sagten die Forscher voraus, dass dieser ZnO-Nanolaser einfach herzustellen sei, eine hohe Helligkeit und geringe Größe aufweise und dass seine Leistung gleich oder sogar besser sei als die von blauen GaN-Lasern. Aufgrund der Möglichkeit, hochdichte Nanodraht-Arrays herzustellen, können ZnO-Nanolaser in vielen Anwendungen eingesetzt werden, die mit heutigen GaAs-Geräten nicht möglich sind. Um solche Laser herzustellen, werden ZnO-Nanodrähte durch ein Gastransportverfahren synthetisiert, das das epitaktische Kristallwachstum katalysiert. Zunächst wird das Saphirsubstrat mit einer 1–3,5 nm dicken Goldschicht überzogen und dann auf ein Aluminiumoxidschiffchen gelegt. Das Material und das Substrat werden im Ammoniakstrom auf 880–905 °C erhitzt, um Zn-Dampf zu erzeugen, der dann zum Substrat transportiert wird. Während des 2–10-minütigen Wachstumsprozesses wurden Nanodrähte von 2–10 μm mit sechseckiger Querschnittsfläche erzeugt. Die Forscher fanden heraus, dass ZnO-Nanodrähte eine natürliche Laserkavität mit einem Durchmesser von 20–150 nm bilden und der größte Teil (95 %) ihres Durchmessers 70–100 nm beträgt. Um die stimulierte Emission der Nanodrähte zu untersuchen, pumpten die Forscher die Probe in einem Gewächshaus optisch mit der vierten Harmonischen eines Nd:YAG-Lasers (266 nm Wellenlänge, 3 ns Pulsbreite). Während der Entwicklung des Emissionsspektrums wird das Licht mit zunehmender Pumpleistung gedämpft. Überschreitet die Laserleistung den Schwellenwert von ZnO-Nanodrähten (ca. 40 kW/cm), erscheint der höchste Punkt im Emissionsspektrum. Die Linienbreite dieser höchsten Punkte beträgt weniger als 0,3 nm und ist damit mehr als 1/50 kleiner als die Linienbreite vom Emissionsscheitelpunkt unterhalb des Schwellenwerts. Diese schmalen Linienbreiten und der schnelle Anstieg der Emissionsintensität führten die Forscher zu dem Schluss, dass in diesen Nanodrähten tatsächlich stimulierte Emission auftritt. Daher kann dieses Nanodraht-Array als natürlicher Resonator fungieren und sich so zu einer idealen Mikrolaserquelle entwickeln. Die Forscher sind überzeugt, dass dieser kurzwellige Nanolaser in den Bereichen optische Datenverarbeitung, Informationsspeicherung und Nanoanalyse eingesetzt werden kann.
3. Quantentopflaser
Vor und nach 2010 betrug die in Halbleiterchips geätzte Linienbreite höchstens 100 nm. In der Schaltung bewegten sich nur wenige Elektronen, und die Zunahme oder Abnahme eines Elektrons hatte erhebliche Auswirkungen auf die Funktionsweise der Schaltung. Um dieses Problem zu lösen, wurden Quantentopflaser entwickelt. In der Quantenmechanik wird ein Potentialfeld, das die Bewegung von Elektronen einschränkt und quantisiert, als Quantentopf bezeichnet. Diese Quantenbeschränkung dient zur Bildung von Quantenenergieniveaus in der aktiven Schicht des Halbleiterlasers, sodass der elektronische Übergang zwischen den Energieniveaus die angeregte Strahlung des Lasers dominiert (ein Quantentopflaser). Es gibt zwei Arten von Quantentopflasern: Quantenlinienlaser und Quantenpunktlaser.
① Quantenlinienlaser
Wissenschaftler haben Quantendrahtlaser entwickelt, die 1.000-mal leistungsstärker sind als herkömmliche Laser und damit einen großen Schritt zur Entwicklung schnellerer Computer und Kommunikationsgeräte darstellen. Der Laser, der die Geschwindigkeit von Audio, Video, Internet und anderen Kommunikationsformen über Glasfasernetze erhöhen kann, wurde von Wissenschaftlern der Yale University, der Lucent Technologies Bell Labs in New Jersey und des Max-Planck-Instituts für Physik in Dresden entwickelt. Diese leistungsstärkeren Laser würden den Bedarf an teuren Repeatern reduzieren, die alle 80 Kilometer entlang der Kommunikationsleitung installiert werden und auf ihrem Weg durch die Glasfaser weniger intensive Laserpulse erzeugen (Repeater).
Veröffentlichungszeit: 15. Juni 2023