Laserschwerter, gut geschärft

Ein schlichter Metallaufsatz vor der Laserquelle verringert die Streuung von Laserstrahlen und macht sie zum flachen, scharfen "Schwert" - Anwendungen von der Medizin bis zum DVD-Spieler

Laserschwert
Laserschwert

Cambridge (USA) - Laserstrahlen gelten als eng begrenzte Lichtbündel, die auch auf weite Entfernungen dicht zusammen bleiben -- in der Realität streuen aber auch Laserstrahlen und brauchen aufwändige Spiegel- oder Linsensysteme, um den Strahl zusammenzuhalten. Jetzt präsentiert ein amerikanisch-japanisches Forscherteam einen neuartigen Vorsatz für Halbleiterlaser, der die Divergenz - das Auseinanderdriften des Strahls - deutlich, effizient und kostengünstig verringert.

Grundprinzip ist, einen Teil des Laserlichts am Metallvorsatz vorübergehend in Oberflächenwellen zu wandeln, so genannte Plasmonen, die synchronisiert werden und als gebündelter Lichtstrahl wieder austreten. Der nur Mikrometer kleine Vorsatz aus Metall lässt sich in die Laserquelle integrieren und erlaubt damit bessere Ergebnisse beim Einsatz von optischen Speicher- und Kommunikationssystemen bis hin zu chemischen Sensoren und Laserdruckern. Bislang gelang das "Schärfen" des Strahls erst in einer Dimension, so dass flache, in der Breite divergierende "Laserschwerter" entstehen, berichten die Forscher im Fachblatt "Nature Photonics". Sie sind aber zuversichtlich, ihr Verfahren auf beide Dimensionen ausweiten und scharfe, rundum gebündelte Strahlen erzeugen zu können.

"Unsere Innovation lässt sich sowohl auf kantenstrahlende als auch auf oberflächenstrahlende Halbleiterlaser aller Wellenlängen anwenden - auf den ganzen Bereich von sichtbaren Lasern bis zu Telekommunikationslasern und darüber hinaus", berichtet Federico Capasso, Professor für Angewandte Physik an der Harvard University. "Es ist ein wichtiger erster Schritt hin zur Strahlenerzeugung mit nie dagewesener Flexibilität, maßgeschneidert für spezifische Anwendungen." Capassos Team aus Harvard-Physikern und -Elektroingenieuren entwickelte die Methode gemeinsam mit Laserspezialisten der japanischen Firma Hamamatsu Photonics.

Während herkömmliche Halbleiterlaser eine Strahlstreuung von rund 60 Grad in alle Richtungen aufweisen, reduziert die neue Methode dies um den Faktor 25 auf bis zu 2,5 Grad in der vertikalen Dimension. Die Forscher nutzten in ihrer Demonstration einen Quantenkaskadenlaser, der eine Wellenlänge von 9,9 Mikrometern abstrahlte, im mittleren Infrarot. Der metallische Vorsatz, für den das Team Patente beantragt hat, reduzierte die Abstrahlungsleistung des Lasers dabei kaum, so die Forscher.

Kernstück der Technik ist der so genannte Plasmonen-Kollimator: ein Metall-Vorsatz, nur 200 millionstel Meter - Mikrometer - groß. Ein horizontaler Schlitz von nur zwei Mikrometern Höhe sitzt direkt vor dem Halbleiterlaser und lässt etwa die Hälfte des Strahls passieren, der Rest von den Kanten wird in Richtung Metalloberfläche gebeugt. Dort erzeugt ihre Energie Oberflächenplasmonen, die gemeinsamen Schwingungen der freien Elektronen am Metall, die als Wellen parallel zur Oberfläche laufen. Sie lassen sich auch als Wellenpakete, als Quanten, betrachten: Was für die Lichtwellen Photonen sind, sind für diese Wellen Plasmonen. Der Kollimator ist so aufgebaut, dass die Plasmonen auf ihrer Wanderung entlang der Oberfläche auf eine Reihe kleiner horizontaler Furchen trifft, die ihre Energie wieder in Lichtstrahlen zurückwandeln. Diese Strahlen sind dann synchronisiert, dank passender Abstände zwischen Eingangsschlitz und Furchen, und laufen mit dem Rest der Lichtwellen als vertikal eng begrenzter Strahl weiter.

In der Horizontalen allerdings läuft das Licht nach wie vor mit bis zu 60 Grad Streuwinkel auseinander. Bisher ist den Forschern also eine Art Laserschwert gelungen. Sie planen aber bereits, den Strahl auch in der zweiten Dimension zu begrenzen, und künftig die räumliche Ausdehnung eines Laserstrahls ganz gezielt steuern zu können, erklärt Kappes, "wie zum Beispiel einen komplett gebündelten Strahl, Strahlen mit geringer Divergenz in verschiedene Richtungen sowie Strahlen, die über einen breiten Winkel gesteuert werden können." Dank der Schlichtheit im Design ist der plasmonische Kollimator nicht nur kleiner und wesentlich einfacher zu nutzen als die bisher komplexen Linsen- und Spiegelsysteme. Er dürfte auch deutlich günstiger herzustellen sein.