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Claudia Gollner - Der Random Laser - ein optischer Flipperautomat


Random Lasing in CdSe/CdS core/thick-shell Nanocrystals

oder

Der Random Laser - ein optischer Flipperautomat

Claudia Gollner

angefertigt an der Abteilung für Solid State Physics des Instituts für Halbleiter- und Festkörperphysik der JKU.

Kurzfassung (PDF)

Präsentation Der Random Laser - ein optischer Flipperautomat (PDF 7,4MB)

Nach der Erfindung des ersten Lasers in den sechziger Jahren des vorigen Jahrhunderts wusste man nicht so recht, wozu die neue Erfindung gut sein sollte. „Der Laser ist eine Lösung auf der Suche nach einem Problem" wurde in der Fachpresse geschrieben. Inzwischen verliert man leicht den Überblick über die vielfältigen Laseranwendungen, sei es in der Medizin (in der Diagnostik mittels FRET, durch die optische Pinzette oder im Kampf gegen Krebs), zur Materialbearbeitung oder als Bestandteile von Laserdruckern, CD-Playern und Barcodelesegeräten in unserem Alltag.

Ein Trend in der Lasertechnik geht dahin, die benötigte Energie um diese zu betreiben möglichst zu minimieren und dabei die Kosten gering zu halten. Ein potentieller Lösungsansatz ist hierbei die Erforschung neuer optisch aktiver Lasermaterialien. Ich habe in meiner Masterarbeit dafür winzigste Kristalle, sogenannte Quantenpunkte, in flüssigen Medien untersucht. Seit mehr als 20 Jahren findet man diese kleinstmöglichen Kristalle, die nur aus wenigen hunderten Atomen bestehen, in der wissenschaftlichen Fachliteratur unter den Namen „Kolloidale Quantenpunkte“. Obwohl diese Nanokristall-Quantenpunkte schon in vielen Anwendungsgebieten getestet werden, Sony hat z. B. einen Farbfernseher mit Quantenpunkten auf den Markt gebracht, gibt es bis dato nur wenig überzeugende Arbeiten im Bereich von Nanokristallen in der Lasertechnologie. Grund dafür ist die geringe Stabilität dieser Materialien unter starker Anregung. An der ETH-Zürich wurden aber mittlerweile neue Materialien entwickelt: Quantenpunkte mit dicken Schalen als Schutzschichten, die wesentlich stabiler sind als ihre Vorgänger und von mir in Lasern eingesetzt werden.

Abbildung 1: Dunkelfeld-Bild eines dünnen Films aus kolloidalen Quantenpunkten. Die hellen Linien sind Risse an der Oberfläche und fungieren als Streuzentren, an denen das Licht zufällig 'abprallt' und dadurch verstärkt wird. Die Lupe zeigt ein AFM-Bild (Atomkraft – Mikroskopie, engl. Atomic force microscopy), welches die Oberflächenunebenheiten deutlich macht.

Abbildung 2: Schematische Darstellung des Verstärkungsmechanismus anhand eines AFM-Bildes, welches einen Ausschnitt von Abbildung 1 zeigt. Licht (violette Pfeile) wird an den Oberflächenunebenheiten (Risse) mehrfach gestreut, bis es verstärkt aus der Oberfläche austritt. Der Kreis zeigt eine noch stärkere Vergrößerung durch ein Rasterelektronenmikroskop (engl. scanning electron microscope SEM) der kolloidalen Quantenpunkte, welche einen durchschnittlichen Radius von etwa 6.5 nm besitzen.

Die Herstellung eines konventionellen Lasers, bei dem Licht meist mit Hilfe von Spiegeln innerhalb des aktiven Lasermaterials eingeschlossen wird, würde die Effizienz des Lasers aus diesen kolloidalen Quantenpunkten nur wenig steigern, die dafür benötigten Kosten dafür in die Höhe treiben. Hingegen bietet das Material die Nutzung von Streuung, wobei auf den Einsatz von Spiegeln oder anderen reflektierenden Flächen gänzlich verzichtet werden kann. Ich habe zu diesem Zweck die kolloidalen Quantenpunkte auf eine Glasplatte aufgetragen. In dem daraus entstehenden dünnen Film wird das emittierte Licht der Nanokristalle innerhalb dieser Schicht mehrfach gestreut. Das Licht wird dadurch quasi „eingesperrt“, so wie es für eine Lasertätigkeit notwendig ist. Das Licht verhält sich also ähnlich wie die Kugel in einem Flipperautomaten, die an dessen Hindernissen abprallt und sich dadurch einen zufälligen Weg durch den Automaten bahnt.


Basierend auf dieser Art von Laserkonfiguration mit zufälligen Lichtstreuungen ist es mir gelungen, die benötigte Energie um meinen Nanokristall-Quantenpunkt Laser zu betreiben, deutlich zu verbessern: im Vergleich zu bisherigen Literaturwerten beträgt der Faktor fast ein 100-faches.

Abbildung 3: (a) links: Laserspektren für verschiedene Pumpintensitäten bzw Anregungsstärken. Wird der Film mit einer Energiedichte von 2.2 mJ/cm² angeregt, erscheint die erste Mode (schmaler Peak). Die Anzahl und Intensität dieser Moden wächst mit steigender Pumpintensität. Dieses Verhalten wird im Inset widergespiegelt, worin die Steigung ab 2.2 mJ/cm² rapide zunimmt. Dieser Knick beschreibt den sogenannten Laserschwellwert, also jene Energie, die notwendig ist um einen Laser zu betreiben.
(b) rechts: Einzel-Puls Spektren der selbigen Probe. Anstatt die Messung über eine bestimmte Zeitdauer durchzuführen (= zeitlich integrieren zu wie in (a)), werden hier 'Momentaufnahmen' gezeigt. Die unterschiedliche Verteilung der jeweiligen Moden (= peaks) beweist die Zufälligkeit des Verstärkungsmechanismus.

Neben der billigen Herstellung liegt ein weiterer Vorteil dieser Quantenpunkt-Laser in der einfachen Kontrolle der Emissionsfarbe, da die Wellenlänge des emittierten Lichtes von der Größe der Quantenpunkte abhängt.

Zusammenfassend konnte ich mit diesem herausragendem Ergebnis das Potential von „Zufallslasern“ (engl. Random Laser) aus kolloidalen Quantenpunkten für die Praxis beweisen (das Konzept ist schon seit den 60er Jahren bekannt). Ein vielversprechender Anwendungsbereich solcher Laser könnte z.B. deren Einsatz als Lichtquelle in Mikroskopen sein, weil diese Laser eine besonders homogene Ausleuchtung der zu untersuchenden Objekte ermöglicht. Das führt weiters zu einer verbesserten Abbildung des im Mikroskop betrachteten Objekts.


Im Moment arbeite ich daran, meine Erkentnisse für die Veröffentlichung in einer 'peer-reviewed' wissenschaftlichen Zeitschrift aufzuschreiben.