Foto: Mikal Schlosser

Mikroskopisk laser vækker opsigt

fredag 01 jun 18

Kontakt

Jesper Mørk
Professor, Gruppeleder
DTU Fotonik
45 25 57 65
En ny laser, der ikke er synlig for det blotte øje, overrasker med uforudsete egenskaber. The Optical Society of America har udnævnt opfindelsen til at være blandt de mest spændende i 2017.

En laser så lille, at den ikke er synlig for det blotte øje, har overrumplet forskerverdenen. Både lokalt på DTU Fotonik, hvor den er udviklet, og internationalt, hvor laseren er blevet udvalgt af The Optical Society of America som en af de mest spændende opfindelser i 2017.

Laseren er ikke større end en mikrometer, hvilket svarer til en tusindedel af en millimeter. Den er så lille, at den ikke engang er synlig i et almindeligt mikroskop. Man skal have hjælp fra et avanceret elektronmikroskop, hvis man skal gøre sig håb om at se strukturerne i laseren. Alligevel virker den. Og ikke nok med det – den er også selvpulserende. Det er første gang nogensinde, at man kan demonstrere en selvpulserende laser i nanoskala.

Laser med uforudsete egenskaber

 Når noget er selvpulserende i laserverdenen, betyder det, at laseren af egen drift vælger at udsende sit lys som pulser. Man kan sige, at den nærmest står og blinker af sig selv. Normalt udsender lasere deres lys som en jævn lysstråle, og skulle man ønske, at den pulserer, er det noget med at tænde og slukke vildt hurtigt for laseren.

Nanolaserens selvpulsering var en effekt, som forskergruppen ved DTU Fotonik slet ikke havde forudset

”Vi havde beskrevet den teoretiske fysik bag laseren allerede i 2014 og fik det publiceret i Physical Review Letters. Men det var først, da vi havde konstrueret selve laseren i 2016 og begyndte at måle på den, at vi opdagede, at den er selvpulserende,” siger professor Jesper Mørk, leder af forskergruppen for Quantum and Laser Photonics ved DTU Fotonik.

Da forskergruppen satte sig til skrivebordene igen efter at have opdaget selvpulseringen, kunne de ved hjælp af deres teoretiske modeller og udregninger godt forklare, hvorfor selvpulseringen opstår.

”Når vi arbejder eksperimentelt helt nede i nanoskala, opstår der ofte nogle nye og hidtil uopdagede effekter. Det er helt ny fysik, fordi vi undersøger ting i en skala, hvor ingen endnu er helt klar over, hvad der foregår. Vi er ude i teknologisk grundforskning her,” siger Jesper Mørk om den nyeste udvikling af forskningen, som blev publiceret i Nature Photonics i 2017.

Selvpulsering er spændende, fordi den kan ’oversættes’ til ettaller og nuller: En puls kan repræsentere ettallet, mens en manglende puls er nullet. Ettere og nuller er som bekendt fundamentet for al elektronisk kommunikation og dermed også alt det, der foregår på computeren, i mobiltelefonen og på internettet. I dag indgår lasere allerede i disse teknologier. De er større end DTU Fotoniks nye laser; de kan være ned til 300 mikrometer – altså 300 gange større end den, Jesper Mørks gruppe har bakset med. Laserens vigtigste rolle er at omforme vores kommunikation fra elektronernes ettere og nuller til lysets ditto. Ved at omforme strøm (elektronerne) til lys kan forskerne sætte hastigheden op på, hvor hurtigt data kan overføres f.eks. mellem computere. Det er hastigheden, der afgør, om man kan gå hjem i aften og se ’Black Mirror’ på Netflix uden afbrydelser.

Flere overraskelser

Nok om selvpulsering. For Jesper Mørks forskergruppe har flere overraskelser i ærmet: Den mikroskopiske laser har potentiale til at være 100 gange hurtigere end de lasere, vi har i dag. Rent teoretisk i hvert fald.
"i har brugt de samme matematiske modeller, som forklarer selvpulseringen, til at beregne hastigheden for vores laser. Hvis vi har forstået det rigtigt, mener vi, at vi har en laser, der kan blive op til 100 gange hurtigere end de lasere, vi har i dag. Men vi har ikke demonstreret det endnu"
Jesper Mørk, Professor, DTU Fotonik

”Vi har brugt de samme matematiske modeller, som forklarer selvpulseringen, til at beregne hastigheden for vores laser. Hvis vi har forstået det rigtigt, mener vi, at vi har en laser, der kan blive op til 100 gange hurtigere end de lasere, vi har i dag. Men vi har ikke demonstreret det endnu,” siger Jesper Mørk.

Høj hastighed på internettet kan vi jo lide, og lige siden vi fik nettet, har teknologiudviklingen handlet om at få sat hastigheden op.

Laser bryder med konventioner

Nok om hastighed. For Jesper Mørk vil gerne dele endnu en overraskelse om sin nanolaser: Den bryder nemlig med alle konventioner om, hvordan lasere skal opbygges. Normalt består lasere af to spejle. Imellem spejlene indsætter man et materiale, der udsender lys, når det bliver tilført strøm. Lyset bliver reflekteret frem og tilbage mellem de to spejle, og derved opstår laserlyset, som vi kender som en meget kraftig lysstråle med kun én farve. Jesper Mørks forskergruppe har dog droppet det ene spejl. I stedet bruger de et fysisk princip – fanoresonans – som kan gøre det ud for det manglende spejl. Princippet dækker over en særlig form for resonans, der blev beskrevet for første gang i 1961 af den italienske fysiker Ugo Fano, som altså lagde navn til fænomenet. For at forstå detaljerne i fanoresonans, så skal man have læst og forstået pænt mere fysik end det, man almindeligvis har lært i gymnasiet. Men fænomenet er velkendt blandt fysikere og bliver anvendt i flere sammenhænge, fortæller Jesper Mørk.

Udnyttelsen af fanoresonans i Mørks nanolaser har også smittet af på navngivningen af den. Derfor er denne nye type nanolaser kendt som fanolaseren i de kredse, hvor man følger med i laserfysik og avanceret teknologiudvikling inden for optisk kommunikation.

Endnu hurtigere internet

Jesper Mørk og kollegerne er de første, der er kommet på den idé at bruge fanoresonans i en laser. Og det er en god idé, fordi:

”Vi kan ændre på laserens intensitet meget hurtigere, end vi i dag kan med de konventionelle lasere. Hvis vi i fremtiden ønsker endnu højere internethastigheder, er det afgørende, at laseren, der omformer det elektriske signal til lys, kan gøre det langt hurtigere end det, konventionelle lasere er i stand til i dag,” siger Jesper Mørk.

De hurtigste lasere kan i dag sende 40 gigabit pr. sekund. Jesper Mørk spår, at fremtidens informationssamfund får brug for at kunne sende 1.000 gigabit pr. sekund (det samme som en terabit pr. sekund).

”Med fanolaseren kan vi hæve os over de fysiske begrænsninger, som i de konventionelle lasere sætter et loft over hastigheden. Vi har ikke demonstreret fanolaserens høje hastighed endnu. Vi arbejder stadig på at forstå den fulde fysik samt at udvikle den nødvendige nanoteknologi til at forfine udformningen af de her mikroskopiske lasere,” siger Jesper Mørk.

Fanolaseren

Fanolaseren måler nogle få mikrometer i længden og er derfor ikke synlig for det blotte øje. Til sammenligning har et hår en tykkelse på ca. 50-100 mikrometer

  1. Laseren består af en fotonisk krystal.

  2. Laserens eneste spejl er placeret i den venstre ende af krystallen.

  3. I krystallen har man vha. elektronstråler boret en masse huller. Hullerne forhindrer lyset i at udbrede sig. Det bliver i stedet tvunget til at følge den ’glatte’ bane i krystallet.

  4. Det gør lyset, indtil det møder nanokaviteten. Nanokaviteten består i al sin enkelhed af en lille afvigelse i hulmønsteret; et enkelt hul kan have en anden størrelse, eller placeringen af hullet kan afvige en smule i forhold til de andre

  5. Lyset bliver fanget i nanokaviteten. Herfra bliver det reflekteret tilbage. Nanokaviteten opfører sig derved som et spejl. Da lysets opførsel baserer sig på principperne i fanoresonans, kaldes dette område i laseren også for et fanospejl

  6. Noget af det ophobede lys slipper dog ud af nanokaviteten. Det slipper ud i regelmæssige pulser med en stabil styrke

  7. Ved hjælp af elektroder omkring nanokaviteten kan man ændre den bølgelængde (farve), hvor lys reflekteres fra fanospejlet. Derved kan man ændre det lyssignal, som laseren udsender, og det kan bruges til at overføre et elektrisk signal til et lyssignal, som kan sendes ud på internettet og hen til modtageren.