Ist es möglich, einen Femtosekundenlaser vollständig aus Glas herzustellen? Dies ist die Antwort, die Yves Bellouard, Leiter des Galatea-Labors der EPFL, schließlich gefunden hat, nachdem er viele Jahre lang stundenlang Laborexperimente mit ausgerichteten Femtosekundenlasern durchgeführt hatte.
Das Galatea-Labor liegt an der Schnittstelle von Optik, Mechanik und Materialwissenschaft, und Femtosekundenlaser sind ein Schlüsselelement von Beruhes Arbeit. Diese Laser emittieren extrem kurze und stabile Lichtimpulse und finden in einer Vielzahl von Bereichen Anwendung, darunter Augenlaserchirurgie, nichtlineare Mikroskopie, Spektroskopie und nachhaltige Datenspeicherung. Typischerweise werden kommerzielle Femtosekundenlaser hergestellt, indem optische Komponenten auf einem Substrat, beispielsweise einem optischen Steckbrett, montiert werden. Daher ist eine sorgfältige Ausrichtung erforderlich.
„Mit Femtosekundenlasern untersuchen wir die nichtlinearen Eigenschaften von Materialien und wie sie ihr Volumen verändern“, erklärt Bellouard. „Üben Sie schmerzhaft komplexe optische Ausrichtungen, damit Sie von einer einfacheren und zuverlässigeren Möglichkeit zur Ausrichtung komplexer Optiken träumen.“
Was ist die Lösung von Bellouard und seinem Team? Verwenden Sie kommerzielle Femtosekundenlaser, um Femtosekundenlaser aus Glas herzustellen, die nicht größer als eine Kreditkarte sind und weniger Ausrichtungsprobleme erfordern. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Optica veröffentlicht.
Wie man aus Glas einen Femtosekundenlaser herstellt
Um einen Femtosekundenlaser aus einem Glassubstrat herzustellen, beginnen Wissenschaftler zunächst mit einer Glasplatte. „Wir wollten einen stabilen Laser herstellen, deshalb haben wir Glas verwendet, weil es eine geringere Wärmeausdehnung als herkömmliche Substrate hat, ein stabiles Material ist und für den von uns verwendeten Laser transparent ist“, erklärt Bellouard.
Die Wissenschaftler verwendeten einen kommerziellen Femtosekundenlaser, um spezielle Zapfen in das Glas zu ätzen, um eine präzise Platzierung der lebenswichtigen Komponenten des Lasers zu ermöglichen. Selbst wenn sie mit Präzision im Mikrometerbereich hergestellt werden, sind die Kerbe und die Komponenten selbst nicht präzise genug, um eine Ausrichtung in Laserqualität zu erreichen. Mit anderen Worten: Die Spiegel sind noch nicht perfekt ausgerichtet, sodass ihre Glasvorrichtung zu diesem Zeitpunkt noch nicht als Laser fungieren kann.
Aus früheren Untersuchungen wussten die Wissenschaftler auch, dass sie das Glas lokal ausdehnen oder zusammenziehen können. Warum nicht diese Technik nutzen, um die Ausrichtung der Spiegel anzupassen?
Das ursprüngliche Ätzdesign sah also einen Spiegel in einem Knall vor, mit mikromechanischen Biegungen im Knall, die den Spiegel lokal bewegen sollten, wenn der Femtosekundenlaser auf ihn trifft. Auf diese Weise kann der kommerzielle Femtosekundenlaser ein zweites Mal verwendet werden, dieses Mal zur Kalibrierung des Spiegels und letztendlich zur Schaffung eines stabilen kleinen Femtosekundenlasers.
„Diese Methode der Nutzung der Laser-Materie-Wechselwirkung zur dauerhaften Ausrichtung optischer Freiraumelemente kann auf eine Vielzahl optischer Schaltkreise ausgeweitet werden, mit extrem hoher Ausrichtungsauflösung bis in den Subnanometerbereich“, sagte Bellouard.
Bewerbungen und andere
Laufende Forschungsprojekte im Galatea-Labor werden untersuchen, wie diese Technologie bei der Montage quantenoptischer Systeme eingesetzt werden kann, um die Grenzen der derzeit erreichbaren Miniaturisierung und Ausrichtungsgenauigkeit zu verschieben.
Der Ausrichtungsprozess wird immer noch von einem menschlichen Bediener überwacht und kann mit etwas Übung mehrere Stunden dauern. Obwohl der Laser klein ist, hat er eine Spitzenleistung von etwa Kilowatt und sendet Impulse in weniger als 200 Femtosekunden aus, was gerade genug Licht ist, um durch ein menschliches Haar zu dringen.
Die neuartige Femtosekundenlasertechnologie wird von Cassio-P unter der Leitung von Antoine Delgoffe von Galatea Laboratories eingeführt.
Bellouard kam zu dem Schluss: „Femtosekundenlaser können sich selbst reproduzieren. Bedeutet das, dass wir das Stadium der selbstklonenden Herstellung von Geräten erreicht haben?“