Nanopartikel als kompakte Laserquellen

In einer Größenordnung von 2 bis 10 nm (10 - 50 Atome) weisen QD Quantengrößeneffekte wie etwa diskrete quantisierte Energieniveaus auf. Die Manipulation dieser Effekte hat die Tür für Anwendungen in Quantencomputing, medizinischer Bildgebung, Photovoltaik und Detektortechnik eröffnet.

Nanokristalle können verschiedene Farben in Abhängigkeit von der Teilchengröße erzeugen. Die Farben repräsentieren verschiedene Energien und können in Laserquellen als Alternative zu teuren, komplexen und umständlichen Festkörpervorrichtungen genutzt werden. Mit Unterstützung der EU über das Projekt QDLASER wollten Wissenschaftler neuartige Materialien, Geräte und Systeme für QD-basierte kompakte Lasergeräte entwickeln. Der Schwerpunkt lag auf einem epitaktischen Wachstum von QD-Laserstrukturen und den entsprechenden Tests und Messungen von Materialien und Geräten.

Die Forscher zielten auf QD-Materialien für ein Spektralbereich von 1,0 - 1,6 Mikrometer für hocheffiziente Laserquellen mit ultrakurzem Puls (bis zu 100 Femtosekunden). Sie nutzten das Indiumarsenid/Indiumphosphid-Materialsystem mit einem Wellenlängenbereich um 1,5 Mikrometer.

Die QD wurden in erster Linie mittels Selbstorganisation synthetisiert (mithilfe des Stranski-Krastanow-Wachstumsverfahrens). Nach einer Charakterisierung bewerteten die Wissenschaftler die Eigenschaften der QD als Verstärkungsmedium. Die QD-Materialien wurden in Laservorrichtungen (Narrow-Ridge Einmoden-Laser und photonische Kristall-Cavity-Laser) eingebaut und der Laser konnte im kontinuierlichen Modus erfolgreich demonstriert werden. Die Wissenschaftler entwickelten eigens zugeschnittene Wachstumsregimes für die Selbstorganisation von QD und führten ein erstes Experiment zu einem neuen Ansatz für die QD-Synthese (selektives Wachstum mithilfe von Diblockcopolymer-Lithographie) durch.

Das Team will in naher Zukunft einen Femtosekundenlaserbetrieb und eine Emissionswellenlänge von 1,5 Mikrometern erreichen. Die Technik hat das Potential, die Leistung von einer Vielzahl von Geräten für Anwendungen wie Telekommunikation, medizinische Bildgebung und Metrologie zu verbessern.