Stufenlos einstellbarer Mini-Laser erzeugt maßgeschneidertes Infrarotlicht

Diesen Monat präsentierten Forscher:innen der Technischen Universität Wien gemeinsam mit der Harvard University eine Lasertechnologie, die nicht nur extrem kompakt ist, sondern auch eine stufenlose Einstellung der Lichtfarbe direkt auf einem Chip ermöglicht. Dieser Durchbruch könnte viele bestehende Systeme vereinfachen und völlig neue Einsatzgebiete für Lasertechnologie erschließen.

Bild: Joshua Mornhinweg (jmornhinweg.com)

Lichtfarbe auf Knopfdruck – ganz ohne bewegliche Teile

Im Zentrum der Innovation steht ein neuartiger Ringlaser, der vollständig elektronisch gesteuert wird. Anstelle mechanischer Bauteile zur Einstellung der Lichtfarbe kommt ein System aus mehreren ringförmigen Lasern zum Einsatz, die alle an denselben Wellenleiter gekoppelt sind. Jeder dieser Ringe ist auf eine bestimmte Wellenlänge abgestimmt. Wird ein Ring durch Strom aktiviert, erzeugt er Licht exakt dieser Farbe – die anderen bleiben inaktiv. So lässt sich das Laserlicht stufenlos und stabil durch die gezielte Auswahl des aktiven Rings einstellen.

Das Design ist so gewählt, dass es nur eine einzige Lichtfarbe über einen gemeinsamen Ausgang emittiert. Rückkopplungen, wie sie bei klassischen Lasersystemen auftreten können, werden durch diese Architektur vermieden. Gleichzeitig kann der gesamte Aufbau auf einem Mikrochip untergebracht und mit etablierten Halbleiterverfahren gefertigt werden. Das ermöglicht nicht nur Miniaturisierung, sondern auch eine kostengünstige Herstellung in großen Stückzahlen.

Neue Möglichkeiten für Medizin, Umwelt und Kommunikation

Der erste Anwendungsbereich für diese Technologie liegt im mittleren Infrarotbereich – ein Spektrum, das besonders gut für die Analyse von Gasen geeignet ist. Laser in diesem Wellenlängenbereich können Moleküle wie Methan oder Kohlendioxid sehr präzise nachweisen. Damit ergeben sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten in der Umweltmesstechnik, etwa bei der Detektion von Schadstoffen oder der Überwachung von Emissionen.

Auch in der Medizin könnte der neue Laser eine zentrale Rolle spielen, beispielsweise bei der Analyse von Atemgasen zur Früherkennung von Krankheiten. Darüber hinaus sind Anwendungen in der optischen Kommunikation denkbar, bei denen Lichtquellen schnell und flexibel zwischen verschiedenen Wellenlängen wechseln müssen – ohne mechanische Umstellungen und ohne komplexe externe Module.

Frequenzkämme vom Chip: Präzision im Taschenformat

Zusätzlich zum Ringlaser entwickelten die Forscher:innen einen zweiten Lasertyp, der kurze Lichtpulse im Infrarotbereich erzeugt. Diese Pulse bilden einen sogenannten optischen Frequenzkamm – ein Spektrum aus vielen, exakt definierten Lichtfrequenzen. Solche Frequenzkämme sind in der hochpräzisen Messtechnik von großer Bedeutung, etwa bei der Spektroskopie, der Zeitmessung oder in der Grundlagenforschung.

Der Clou: Auch dieser Lasertyp ist vollständig auf einem Chip integriert. Herkömmliche Systeme mit ähnlichen Eigenschaften sind oft groß, teuer und empfindlich. Die neue Lösung vereint dieselbe Präzision auf einem Bruchteil der Fläche – und könnte damit den Weg für tragbare, hochgenaue Messsysteme ebnen. Beide Laserdesigns basieren auf derselben Herstellungstechnologie und lassen sich perspektivisch sogar kombinieren, um vielseitige Photoniklösungen auf einem einzigen Chip zu realisieren.

via TU Wien