Nanolaser sind Mikro- und Nanobauelemente, die aus Nanomaterialien wie Nanodrähten als Resonatoren bestehen und unter Lichteinwirkung oder elektrischer Anregung Laserlicht emittieren können. Die Größe dieser Laser liegt oft nur bei wenigen hundert oder sogar zehn Mikrometern, der Durchmesser im Nanometerbereich. Sie spielen eine wichtige Rolle in zukünftigen Dünnschichtdisplays, der integrierten Optik und anderen Anwendungsgebieten.
Klassifizierung von Nanolasern:
1. Nanodrahtlaser
Im Jahr 2001 entwickelten Forscher der University of California, Berkeley, USA, den weltweit kleinsten Laser – einen Nanolaser – auf einem nanooptischen Draht, der nur ein Tausendstel der Länge eines menschlichen Haares misst. Dieser Laser emittiert nicht nur ultraviolettes Licht, sondern kann auch so eingestellt werden, dass er Laser im Bereich von Blau bis Tiefviolett aussendet. Die Forscher nutzten ein Standardverfahren namens orientierte Epiphyte, um den Laser aus reinen Zinkoxidkristallen herzustellen. Zunächst „kultivierten“ sie Nanodrähte, d. h. sie bildeten auf einer Goldschicht Zinkoxiddrähte mit einem Durchmesser von 20 nm bis 150 nm und einer Länge von 10.000 nm. Als die Forscher die Zinkoxidkristalle in den Nanodrähten anschließend unter Gewächshausbedingungen mit einem weiteren Laser aktivierten, emittierten diese einen Laser mit einer Wellenlänge von nur 17 nm. Solche Nanolaser könnten zukünftig zur Identifizierung von Chemikalien und zur Verbesserung der Speicherkapazität von Computerfestplatten und photonischen Computern eingesetzt werden.
2. Ultravioletter Nanolaser
Nach der Entwicklung von Mikrolasern, Mikroscheibenlasern, Mikroringlasern und Quantenlawinenlasern gelang es dem Chemiker Yang Peidong und seinen Kollegen an der University of California, Berkeley, Nanolaser für Raumtemperatur herzustellen. Dieser Zinkoxid-Nanolaser emittiert unter Lichtanregung einen Laser mit einer Linienbreite von unter 0,3 nm und einer Wellenlänge von 385 nm. Er gilt als der kleinste Laser der Welt und als eines der ersten praktischen Geräte, die mithilfe von Nanotechnologie gefertigt wurden. Bereits in der frühen Entwicklungsphase prognostizierten die Forscher, dass dieser ZnO-Nanolaser einfach herzustellen, hochbrillant und klein sein und eine Leistung aufweisen würde, die der von blauen GaN-Lasern gleichwertig oder sogar überlegen ist. Dank der Möglichkeit, hochdichte Nanodraht-Arrays herzustellen, können ZnO-Nanolaser in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt werden, die mit den heutigen GaAs-Bauelementen nicht realisierbar sind. Für die Herstellung solcher Laser werden ZnO-Nanodrähte mittels Gastransportverfahren synthetisiert, welches das epitaktische Kristallwachstum katalysiert. Zunächst wird das Saphirsubstrat mit einer 1–3,5 nm dicken Goldschicht beschichtet und anschließend in ein Aluminiumoxidschiffchen gelegt. Material und Substrat werden in einem Ammoniakstrom auf 880–905 °C erhitzt, um Zinkdampf zu erzeugen. Dieser Zinkdampf wird dann auf das Substrat geleitet. Im Wachstumsprozess von 2–10 Minuten entstehen Nanodrähte mit hexagonalem Querschnitt und einer Länge von 2–10 µm. Die Forscher fanden heraus, dass die ZnO-Nanodrähte einen natürlichen Laserresonator mit einem Durchmesser von 20–150 nm bilden, wobei der größte Teil (95 %) einen Durchmesser von 70–100 nm aufweist. Um die stimulierte Emission der Nanodrähte zu untersuchen, wurde die Probe in einem Gewächshaus optisch mit der vierten Harmonischen eines Nd:YAG-Lasers (Wellenlänge 266 nm, Pulsdauer 3 ns) angeregt. Im Verlauf der Entwicklung des Emissionsspektrums nimmt die Lichtintensität mit steigender Pumpleistung zu. Sobald die Laserleistung die Schwelle des ZnO-Nanodrahts (ca. 40 kW/cm²) überschreitet, tritt im Emissionsspektrum ein Maximum auf. Die Linienbreite dieses Maximums beträgt weniger als 0,3 nm und ist damit mehr als 1/50 kleiner als die Linienbreite des Emissionsmaximums unterhalb der Schwelle. Aufgrund dieser geringen Linienbreite und des raschen Anstiegs der Emissionsintensität schlussfolgerten die Forscher, dass in diesen Nanodrähten tatsächlich stimulierte Emission auftritt. Daher kann dieses Nanodraht-Array als natürlicher Resonator fungieren und somit eine ideale Mikrolaserquelle darstellen. Die Forscher gehen davon aus, dass dieser kurzwellige Nanolaser in den Bereichen optisches Rechnen, Datenspeicherung und Nanoanalyse Anwendung finden kann.
3. Quantenpunktlaser
Vor und nach 2010 erreichte die Linienbreite auf Halbleiterchips 100 nm oder weniger. Dadurch bewegten sich nur wenige Elektronen im Schaltkreis, und die Veränderung ihrer Anzahl hatte einen großen Einfluss auf dessen Funktion. Um dieses Problem zu lösen, wurden Quantenpunktlaser entwickelt. In der Quantenmechanik bezeichnet man ein Potentialfeld, das die Bewegung von Elektronen einschränkt und quantisiert, als Quantentopf. Diese Quantenbeschränkung wird genutzt, um in der aktiven Schicht des Halbleiterlasers Quantenenergieniveaus zu erzeugen. Der Elektronenübergang zwischen diesen Energieniveaus dominiert die angeregte Strahlung des Lasers – ein typischer Quantenpunktlaser. Man unterscheidet zwei Arten von Quantenpunktlasern: Quantenlinienlaser und Quantenpunktlaser.
① Quantenlinienlaser
Wissenschaftler haben Quantendrahtlaser entwickelt, die 1.000-mal leistungsstärker sind als herkömmliche Laser und damit einen großen Schritt hin zu schnelleren Computern und Kommunikationsgeräten machen. Der Laser, der die Übertragungsgeschwindigkeit von Audio, Video, Internet und anderen Kommunikationsformen über Glasfasernetze deutlich 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 km entlang der Kommunikationsleitung installiert werden und Laserimpulse mit abnehmender Intensität auf ihrem Weg durch die Faser erzeugen.
Veröffentlichungsdatum: 15. Juni 2023