Echte Laser definieren: Wenn Nanolaser Laserkriterien erfüllen

Kohärentes Licht von Nanolasern ist schwer zu messen. Forscher entdeckten eine Methode für solche schwierigen Messungen. Sie entwickelten eine einfache Formel, um zu bestimmen, unter welchen Bedingungen Nanolaser als echte Laser qualifizieren.

Kohärenz in Nanolasern erreichen

In den letzten Jahren entstanden Nanolaser als neue Lichtquellen von ~1 Milliardstel Meter Größe. Ihre einzigartigen Eigenschaften unterscheiden sie von makroskopischen Lasern.

Nanolaser-Design ähnelt traditionellen Heterostruktur-Halbleiterlasern. Aber ihre Kavitäten sind extrem klein: Größenordnung der Lichtwellenlänge (Infrarot, sichtbares Licht).

In kommenden Jahren werden Nanolaser in integrierten optischen Schaltkreisen GPU/CPU-Leistung steigern und Internetgeschwindigkeiten via Glasfaser um Größenordnungen erhöhen. Auch Integration mit Techniken zur Neuronenaktivitätssteuerung in Lebewesen möglich.

Das Problem: Kohärenzschwelle

Ein Hauptproblem: Man weiß nicht, bei welchem Strom die Ausgabe strahlungskohärent wird. Für Realanwendungen ist es entscheidend, zwei Phasen zu unterscheiden: LED-ähnliche Phase mit inkohärenter Ausgabe bei niedrigen Strömen und echtes Lasern mit kohärenter Ausgabe bei hohen Strömen.

Um als echter Laser zu qualifizieren, muss die Strahlungsquelle Anforderungen erfüllen. Wichtigste: kohärente Strahlung ausstoßen. Kohärenz wird über einem Punkt erreicht: Laserschwelle. Darunter emittiert die Quelle spontane Strahlung – nicht anders als herkömmliche LEDs.

Diese Laserschwelle lässt sich durch Analyse der Beziehung zwischen Pumpenstrom und Ausgangsleistung bestimmen (Abb. 1A). Manche Geräte zeigen aber keine Besonderheiten (rote Linie Abb. 1b), was Schwellenwertbestimmung im Strom-Leistungs-Diagramm sehr schwierig macht. Solche Nanolaser heißen «schwellenlos».

Neue Formel für direkte Kohärenzmessung

Kohärentes Licht von Nanolasern ist schwer zu messen, da empfindliche Instrumente nötig sind, um Intensitätsfluktuationen bei milliardstel Millisekunden zu erfassen.

Wissenschaftler am MIPT entdeckten eine Methode für solche Messungen. Sie quantifizieren Kohärenz der Nanolaserstrahlung mittels Hauptlaserparametern.

Referenz: Optics Express | doi:10.1364/OE.26.033473 | MIPT

Die Methode bestimmt Schwellenstrom für fast alle Nanolaser, inkl. «schwellenloser» Nanolaser, die einen eindeutigen Schwellenwert zwischen Lasern und LED-Phase haben. Die von Nanolasern emittierte Strahlung ist oberhalb dieses Schwellenstroms kohärent, darunter inkohärent.

Bisher war kohärente Strahlung wegen Selbstheizung von Nanolasern fast unmöglich. Daher ist Unterscheidung der tatsächlichen Laserschwelle von der illusorischen entscheidend.

Dafür entwickelten Forscher eine einfache Formel, universell anwendbar auf alle Nanolaser. Mit dieser Formel und Ein-/Ausgangsparametern (Abb. 2) können Physiker Schwellenwert jeder Struktur schnell bestimmen.

Diese Studie erleichtert Vorhersage, bei welchem Pumpenstrom der Nanolaser kohärente Strahlung liefert – unabhängig vom Design. Helft Physikern, Nanolaser mit vorbestimmten Eigenschaften und garantierter Kohärenz zu designen und bauen.