22/02/2016 - Sie entwerfen, bauen und in Betrieb nehmen einen nanometrischen Festkörperlaser

Menéame

Eines der wichtigsten Forschungsbereiche im Bereich der Photonik • die Entwicklung und die neue Laser, da diese Einrichtungen die Lichtquelle mit der höchsten Ausrichtung, Helligkeit, Möglichkeit der Handhabung und Steuerung bilden.

Innerhalb dieser Systeme sind die Festkörperlaser, die typischerweise aus in einem Glas eingebetteten Lichtionen bestehen, sind ein wichtiges Werkzeug in einer Vielzahl von Industriebereichen, in der Forschung, in der Medizin und in der Kommunikation.

Seit ihrer Entdeckung haben sich die Stand-State-Laser stark entwickelt. Heutzutage gibt es eine Vielzahl von Konfigurationen, an deren Enden sich einerseits große und hochleistungsfähige Laser wie zum Beispiel bei Nuklearfusionsversuchen oder bei der jüngsten Erkennung von Gravitationswellen durch das LIGO-System befinden würden, und andererseits Miniaturlaser in Form von kompakten Mikrochips für die Implementierung in großen Datenübertragungs- und -verarbeitungsnetzwerken.

Neue Herausforderungen in der Nanowissenschaft und Nanotechnologie erfordern jedoch eine Verringerung der Lasergröße unter dem Mikrometer (ein Tausendstel eines Millimeters).

Diese Art von Geräten ist wirklich vielversprechend, da Laser in Nanogrößen eine ganze Reihe von Anwendungen in Biomedizin, Sensortechnologie, Bildtechnologie oder Informationstechnologie revolutionieren können.

Aufgrund der Einschränkungen konventioneller optischer Systeme auf diesen sehr geringen Größenstufen, vor allem aufgrund des Phänomens der optischen Debfraktion, erfordert die Entwicklung von "Nanolasern" physische Konzepte und Konstruktionen, die sich grundlegend von denen der konventionellen Laser unterscheiden.

Ein guter Ansatz zur Erreichung dieses Ziels ist die Verwendung von Metallstrukturen mit wenigen Dutzend Nanometern, die die Fähigkeit haben, als optische Nanoantennen zu wirken, indem sie eine große Dichte elektromagnetischer Energie in der Nähe ihrer Oberfläche (Plasmaeffekt) begrenzen.

Die Verbindung von Metallnanostrukturen mit Laserkristallen ermöglicht die Einschließung des Laserlichts in Größen unterhalb seiner eigenen Wellenlänge. Bisher war die Möglichkeit der Laserwirkung auf der Nanoskala mit einem Festkörper-Laser nicht nachgewiesen worden.

Physiker der UAM haben in Zusammenarbeit mit Forschern des Physikzentrums für Materialien-Donostia International Physics Center erstmals in Nanometerraumgebieten eine in geschlossenen Systemen wirkende Laserwirkung aus einem optisch aktivierten Solid-State-Laser mit dreiwertigen Neodymionen (Nd3+) erhalten.

Silber Nanopartikel, Schlüsselelement

Durch einen einfachen, kostengünstigen photochemischen Prozess hat die von Luisa Bausá geleitete Forschungsgruppe lineare Ketten von Silbernanopartikeln auf der Laseroberfläche hergestellt und Experimente für die Demonstration von Laserwirkung auf der Nanoskala durchgeführt. Wie Sie bewiesen haben, ermöglicht die Wirkung dieser Ketten Laserwirkung in Regionen, die an Nanopartikel angrenzen, mit einer 15-fachen Effizienz, die höher ist als die des konventionellen Lasers.

 "Diese Arbeit, die wir vor kurzem in der Zeitschrift Nano Letters veröffentlicht haben, eröffnet den Weg, um viele andere Solid-State-Laser, die heute existieren, auf die Nanoskala zu reduzieren, die in der Lage sind, den breiten Spektralbereich, der vom ultravioletten bis zum mittleren Infrarot reicht, abzudecken. Die Vorteile dieser Laser sind ihre chemische und thermische Stabilität und die Qualität der Emissionslinie," erklären die Forscher.

Zu den Anwendungen, die von diesen Systemen profitieren könnten, zählen die ultraextreme Bio-Erkennung, die Möglichkeit ultrakompakte und ultraschnelle optische Schaltungen oder die Kontrolle extremer Interaktionen zwischen Licht und Materie für die Anwendung in Quantenrechnern.

Bibliographische Referenz

Pablo Molina, Eduardo Yraola, Mariola O. Ramírez, Christos Tserkezis, José L. Plaza, Javier Aizpurua, Jorge Bravo-Abad, and Luisa E. Bausá. “Plasmon-Assisted Nd3+ -Based Solid-State Nanolaser”. Nano Letters 2016, 16 (2), pp 895–899. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b03656

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