Wissenschaftler stehen seit vielen Jahren vor der Herausforderung, kleine, hochwertige Laser zu entwickeln, die Licht in gelben und grünen Wellenlängen erzeugen. Während rote und blaue Laser bereits lange Industriestandard sind, hatte die Technologie für grüne Laser erhebliche technische Hürden zu überwinden. Das Fehlen stabiler und kompakter grüner Laser im sichtbaren Lichtbereich wird als "grüner Gap" bezeichnet. Das Schließen dieser Lücke könnte erhebliche Fortschritte in verschiedenen Technologiefeldern ermöglichen, einschließlich Unterwasserkommunikation, medizinischen Behandlungen, fortschrittlichen Farbdarstellungen und Anwendungen in der Quantentechnologie.

Im Gegensatz zu den ausgereiften Technologien von roten und blauen Lasern sind grüne Laserpointer seit 25 Jahren auf dem Markt, produzieren jedoch nur Licht in einem engen Bereich von Grün. Zudem sind diese Laser nicht auf Chips integriert, was ihre Nutzung in komplexeren Geräten und Systemen ermöglichen würde. Um diese technische Herausforderung zu überwinden, haben Wissenschaftler des National Institute of Standards and Technology (NIST) kürzlich bedeutende Fortschritte erzielt. Ihre Arbeit an der Modifikation einer kleinen optischen Komponente, bekannt als Ring-Mikroresonator, führte zur Schließung der grünen Lücke und zur Schaffung einer Miniaturquelle für grünes Laserlicht, das auf einen Chip integriert werden kann.

Mikroresonatoren, die für diesen technologischen Durchbruch entscheidend sind, werden verwendet, um Infrarotlaserlicht in andere Farben umzuwandeln. Dieser Prozess beinhaltet das Pumpen von Infrarotlicht in den Resonator, wo das Licht Tausende von Malen zirkuliert und intensiv genug wird, um eine starke Wechselwirkung mit Siliziumnitrid zu verursachen. Diese Wechselwirkung, bekannt als optische parametrische Oszillation (OPO), erzeugt zwei neue Wellenlängen des Lichts, bekannt als Idler und Signal.

Bei früheren Forschungen konnten Wissenschaftler mehrere einzelne Farben des sichtbaren Laserlichts erzeugen, aber das gesamte Spektrum von Gelb und Grün, das zur Schließung der grünen Lücke erforderlich ist, blieb unerreichbar. Um dieses Problem zu überwinden, hat das NIST-Team zwei wichtige Schritte unternommen. Erstens wurde der Mikroresonator leicht verdickt, was die Erzeugung von Licht ermöglichte, das tiefer in das grüne Spektrum eindringt, bis hin zu einer Wellenlänge von 532 Nanometern. Der zweite Schritt bestand darin, einen Teil der Siliziumdioxidschicht unter dem Resonator zu entfernen, wodurch die Empfindlichkeit der Ausgangsfarben gegenüber den Dimensionen des Resonators und der Wellenlänge des Infrarotlichts verringert wurde. Diese Modifikationen ermöglichten den Wissenschaftlern eine bessere Kontrolle bei der Erzeugung verschiedener Grüntöne, Gelb, Orange und Rot.

Das Ergebnis dieser Arbeit war die Erzeugung von mehr als 150 verschiedenen Wellenlängen innerhalb der grünen Lücke, mit der Möglichkeit, jede einzelne fein abzustimmen. Diese Präzision eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Branchen. Beispielsweise könnten fortschrittliche Farbdarstellungen in Projektionssystemen erheblich von diesen neuen Lasern profitieren und ein breiteres Farbspektrum mit größerer Präzision ermöglichen. In der Medizin kann grünes Laserlicht bei Behandlungen wie der diabetischen Retinopathie eingesetzt werden, einem Zustand, der zu abnormalem Wachstum von Blutgefäßen im Auge führt.

Eine der vielversprechendsten Anwendungen dieser neuen Laser ist in der Quantentechnologie. Kompakte Laser, die die grüne Lücke abdecken, könnten erhebliche Verbesserungen bei der Speicherung und Verarbeitung von Daten in Qubits, den grundlegenden Einheiten der Quanteninformation, ermöglichen. Derzeit hängen die Quantencomputing-Technologie und die Kommunikation von größeren, weniger effizienten Lasern ab, was ihre Praktikabilität außerhalb des Labors einschränkt. Durch die Entwicklung dieser neuen, kleineren Laser haben die Wissenschaftler einen bedeutenden Schritt in Richtung tragbarer und praktischer Quantencomputersysteme gemacht.

Trotz dieser Erfolge arbeitet das NIST-Team weiterhin an der Verbesserung der Energieeffizienz seiner Laser. Die aktuelle Ausgangsleistung dieser Laser stellt nur einen kleinen Prozentsatz der Eingangsleistung dar, was ihre praktische Anwendung einschränkt. Durch die Steigerung der Effizienz der Kopplung zwischen dem Eingangslaser und dem Wellenleiter, der das Licht in den Mikroresonator lenkt, sowie durch Verbesserung der Methoden zur Extraktion des erzeugten Lichts glauben die Wissenschaftler, dass sie die Gesamteffizienz dieser Geräte erheblich steigern werden.

Diese Innovation markiert eine kontinuierliche Weiterentwicklung der digitalen Technologie und ihren Einfluss auf verschiedene Anwendungen, und eröffnet neue Möglichkeiten für zukünftige Fortschritte in der Lasertechnologie und Quantentechnologie. Forscher, darunter Jordan Stone und Xiyuan Lu von JQI sowie Zhimin Shi von Meta’s Reality Labs Research in Redmond, Washington, veröffentlichten ihre Ergebnisse am 21. August 2024 in der Zeitschrift Light: Science and Applications.

Quelle: National Institute of Standards and Technology (NIST)