Quantum optical models for nanolaser and nanolaser arrays
Final Report Abstract
Atomar dünne Halbleiter bilden eine recht neue Materialklasse, die gegenwärtig großes Interesse in verschiedenen Forschungszweigen hervorruft. Im Rahmen dieses Projekts wurden solche Materialien für Anwendungen in der Halbleiter-Optoelektronik untersucht. Als Gewinnmaterialien können sie in optische Resonatoren eingebettet werden, die nur wenige hundert Nanometer groß sind. Die Resonatoren schließen das ausgesandte Licht größtenteils ein und ermöglichen somit die Rückkopplung mit dem Gewinnmaterial, was stimulierte Emission hervorruft – der Mechanismus, auf dem ein Laser basiert und der ihm seinen Namen gibt. Ein wichtiges Ziel bei der Realisierung solcher Nanolaser ist die Einsparung von Energie im Laserbetrieb, also oberhalb der sogenannten Laserschwelle. Es ist bekannt, dass sich die Laserschwelle bei deutlich kleineren Anregungsleistungen erreichen lässt, wenn man Verlustkanäle weitestgehend unterbindet. Ein solcher Nanolaser sendet zwar wenig Licht aus, tut dies jedoch hoch-effizient. Für zahlreiche Anwendungen, wie z.B. die Datenkommunikation, ist jedoch keine hohe Ausgangsleistung erforderlich, und verlustfreie Nanolaser versprechen gerade hier immense Energieeinsparungen auf dem globalen Markt. Eine zentrale Einsicht, die durch die Arbeit in diesem Projekt erlangt werden konnte, ist die theoretische Vorhersage, dass sich die Anregungsleistung an der Laserschwelle neuartiger Nanolaser, die mit den oben genannten atomar dünnen Gewinnmaterialien betrieben werden, nicht in dem bekannten Maße durch die Reduktion der Verlustkanäle absenken lässt. Tatsächlich erreichen diese Systeme das Regime der kohärenten Emission, also dem Aussenden des besonderen Laser-Lichts, erst weit oberhalb der sichtbaren Laserschwelle in der Eingangs-/Ausgangscharakteristik. Bisher liegen für das Kohärenzverhalten dieser neuartigen mikroskopisch kleinen Laser noch keine experimentellen Messungen vor, um die Ergebnisse der entwickelten Lasermodelle zu verifizieren. Diese werden jedoch mit Spannung erwartet. https://www.uni-bremen.de/universitaet/presse/aktuelle-meldungen/detailansicht/news/detail/News/bremer-physiker-ermöglichen-energieeffizienten-nanolaser.html
Publications
- „A quantum optical study of thresholdless lasing features in high- β nitride nanobeam cavities“, Nat. Commun., Bd. 9, Nr. 1, S. 564 (2018)
S. T. Jagsch u. a.
(See online at https://doi.org/10.1038/s41467-018-02999-2) - „Delayed Transition to Coherent Emission in Nanolasers with Extended Gain Media“, Phys. Rev. Appl., Bd. 10, Nr. 5, S. 054055 (2018)
F. Lohof, R. Barzel, P. Gartner, und C. Gies
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.10.054055) - „Prospects and Limitations of Transition Metal Dichalcogenide Laser Gain Materials“, Nano Lett.
F. Lohof u. a.
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b03729)
