Nachwuchspreis für Laser im Miniaturformat

Neue Laser sind 100-mal kleiner als übliche Geräte - Martina Hentschel erhält für ihre Grundlagenforschung den Hertha-Sponer-Preis der DPG

Limaçon-Microdisk
Limaçon-Microdisk

Dresden - Auch theoretische Physik kann sehr anwendungsnah sein: Die Nachwuchsforscherin Martina Hentschel hat die Grundlagen für Laser im Miniaturformat berechnet. Mehrere Gruppen von Experimentalphysikern konnten ihre Ergebnisse direkt in die Praxis umsetzen. Enstanden sind so Laser, die etwa 100-mal kleiner als übliche Geräte sind. Das Herzstück, der optische Resonator, ist auf etwa 50 Mikrometer geschrumpft - der halbe Durchmesser eines Haares. Für ihre Arbeit bekam die Physikerin vom Max-Planck-Institut für komplexe Systeme Dresden jetzt den Hertha-Sponer-Preis bei der DPG-Jahrestagung verliehen. Solche Miniaturlaser haben großes Anwendungspotenzial in der Optoelektronik. Auch die Datenspeicherdichte auf DVDs könnte sich damit weiter erhöhen lassen.

Bei normalen Lasern wird das Licht im Resonator durch Spiegel hin- und hergeworfen. Dabei durchquert es ein aktives Medium, das "gepumpt", also energetisch angeregt wird. Das vorhandene Licht bewirkt, dass noch mehr Photonen mit gleichen Eigenschaften ausgesendet werden - so entsteht Licht, das mit einheitlicher Wellenlänge im Gleichtakt schwingt. Indem einer der Spiegel teildurchlässig ist, lässt sich der gewünschte Laserstrahl auskoppeln.

Diesen Aufbau zu verkleinern, stößt jedoch an Grenzen. Um Laser in der Größe einiger Mikrometer herzustellen, hofften Physiker deshalb schon länger auf die Totalreflexion: Fällt ein Lichtstrahl in einem Medium wie Glas sehr schräg auf die Grenzfläche zu Luft, wird er komplett reflektiert, nichts dringt nach außen. So konnte man "Microdisks" fertigen, winzige kreisrunde Scheiben aus Halbleitermaterial, in denen sich Lichtstrahlen nahe am Rand ausbreiten können wie der Schall in einer Flüstergalerie. Auch das Pumpen ist in diesen Mikro-Scheiben möglich. Nur gelang es nie, einen gerichteten Laserstrahl auszukoppeln. Gemeinsam mit ihrem Kollegen Jan Wiersig von der Universität Magdeburg fand Martina Hentschel die Lösung: Man muss den Kreis zu einer so genannten Limaçon-Form leicht abplatten.

Die Forscher jagen nun nach neuen Winzigkeits-Rekorden. Derzeit scheiteren Laser kleiner als 10 Mikrometer an Fertigungstoleranzen, sagt Hentschel, die gespannt auf den Forschritt ihrer Kollegen wartet. Denn im Nano-Bereich spielen Effekte eine Rolle, die mit der klassischen Strahlenoptik nicht mehr zu erklären sind und die sie als theoretische Physikerin deshalb besonders interessieren. "Erste Anzeichen davon hat man jetzt wohl endlich gefunden", meint Hentschel.