Onderzoekers aan de Aalto Universiteit, Finland, zijn de eersten die een plasmonische nanolaser hebben ontwikkeld die werkt op zichtbare lichtfrequenties en gebruik maakt van zogenaamde donkere roostermodi.

De laser werkt op lengteschalen die 1000 keer kleiner zijn dan de dikte van een mensenhaar. De levensduur van licht dat in zulke kleine afmetingen wordt vastgelegd, is zo kort dat de lichtgolf slechts enkele tientallen of honderden keren de tijd heeft om op en neer te bewegen. De resultaten openen nieuwe perspectieven voor coherente lichtbronnen op de chip, zoals lasers, die extreem klein en ultrasnel zijn.

De laserbewerking in dit werk is gebaseerd op zilveren nanodeeltjes die in een periodieke reeks zijn gerangschikt. In tegenstelling tot conventionele lasers, waarbij de terugkoppeling van het lasersignaal wordt geleverd door gewone spiegels, deze nanolaser maakt gebruik van stralingskoppeling tussen zilveren nanodeeltjes. Deze deeltjes ter grootte van 100 nanometer fungeren als kleine antennes. Om laserlicht met hoge intensiteit te produceren, de afstand tussen de deeltjes werd afgestemd op de lasergolflengte, zodat alle deeltjes van de array in harmonie uitstralen. Organische fluorescerende moleculen werden gebruikt om de input-energie (de gain) te leveren die nodig is voor laseren.

Licht uit het donker

Een grote uitdaging bij het bereiken van deze lasertechniek was dat licht misschien niet lang genoeg bestaat in zulke kleine afmetingen om behulpzaam te zijn. De onderzoekers vonden een slimme manier om dit potentiële probleem te omzeilen:ze produceerden laserstraling in donkere modi.

"Een donkere modus kan intuïtief worden begrepen door te kijken naar reguliere antennes:een enkele antenne, wanneer aangedreven door een stroom, straalt sterk uit, terwijl twee antennes - indien aangedreven door tegengestelde stromen en zeer dicht bij elkaar geplaatst - zeer weinig uitstralen, " legt Akademiehoogleraar Päivi Törmä uit. "Een donkere modus in een nanodeeltjesreeks induceert vergelijkbare tegenfasestromen in elk nanodeeltje, maar nu met zichtbare lichtfrequenties."

"Donkere modi zijn aantrekkelijk voor toepassingen waar een laag stroomverbruik nodig is. Maar zonder trucjes, laseren in de donkere modus zou vrij nutteloos zijn, omdat het licht in wezen gevangen zit in de nanodeeltjesreeks en niet kan vertrekken, ", zegt stafwetenschapper Tommi Hakala.

doctoraat student Heikki Rekola zegt, "Door gebruik te maken van de kleine omvang van de array, we hebben een ontsnappingsroute voor het licht gevonden. Naar de randen van de array, de nanodeeltjes gaan zich steeds meer gedragen als gewone antennes die uitstralen naar de buitenwereld."

Het onderzoeksteam maakte gebruik van de nanofabricagefaciliteiten en cleanrooms van de nationale onderzoeksinfrastructuur OtaNano.

De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .