Herstellung eines Femtosekundenlasers aus Glas
Ist es möglich, einen Femtosekundenlaser ganz aus Glas zu bauen? In diesen Kaninchenbau ist Yves Bellouard, Leiter des Galatea-Labors der EPFL, hineingeraten, nachdem er jahrelang stundenlang Femtosekundenlaser für Laborexperimente justiert hatte.
Das Galatea-Labor befindet sich an der Schnittstelle zwischen Optik, Mechanik und Materialwissenschaft, und Femtosekundenlaser sind ein wichtiger Bestandteil von Bellouards Arbeit. Femtosekundenlaser erzeugen extrem kurze und regelmässige Laserlichtblitze und finden in vielen Bereichen Anwendung, z. B. in der Laser-Augenchirurgie, der nichtlinearen Mikroskopie, der Spektroskopie, der Lasermaterialbearbeitung und neuerdings auch in der nachhaltigen Datenspeicherung. Kommerzielle Femtosekundenlaser werden hergestellt, indem optische Komponenten und ihre Halterungen auf einem Substrat, in der Regel optischen Breadboards, angebracht werden, was eine sorgfältige Ausrichtung der Optik erfordert.
«Wir verwenden Femtosekundenlaser für unsere Forschungen über die nichtlinearen Eigenschaften von Materialien und darüber, wie Materialien in ihrem Volumen verändert werden können», erklärt Bellouard, «wenn man sich die Mühe macht, komplexe optische Ausrichtungen vorzunehmen, träumt man von einfacheren und zuverlässigeren Möglichkeiten, komplexe Optiken auszurichten.»
Die Lösung von Bellouard und seinem Team? Sie verwenden einen kommerziellen Femtosekundenlaser, um einen Femtosekundenlaser aus Glas herzustellen, der nicht grösser als eine Kreditkarte ist und weniger Probleme bei der Ausrichtung verursacht. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift Optica veröffentlicht.
Wie man einen Femtosekundenlaser aus Glas herstellt
Um einen Femtosekundenlaser mit einem Glassubstrat herzustellen, beginnen die Forschenden mit einer Glasplatte: «Wir wollen stabile Laser herstellen, deshalb verwenden wir Glas, weil es eine geringere Wärmeausdehnung als herkömmliche Substrate hat, ein stabiles Material ist und für das verwendete Laserlicht transparent ist», erklärt Bellouard.
Mit einem handelsüblichen Femtosekundenlaser ätzen die Fachleute spezielle Rillen in das Glas, die die präzise Platzierung der wesentlichen Komponenten ihres Lasers ermöglichen. Selbst bei einer Präzisionsfertigung im Mikrometerbereich sind die Rillen und die Komponenten allein nicht präzise genug, um eine Ausrichtung in Laserqualität zu erreichen. Mit anderen Worten: Die Spiegel sind noch nicht perfekt ausgerichtet, so dass ihr Glasgerät in diesem Stadium noch nicht als Laser funktioniert.
Aus früheren Forschungsarbeiten wissen die Wissenschaftler auch, dass sie Glas lokal ausdehnen oder schrumpfen lassen können. Warum sollte man diese Technik nicht nutzen, um die Ausrichtung der Spiegel zu justieren?
Die anfängliche Ätzung ist daher so konzipiert, dass ein Spiegel in einer Nut mit mikromechanischen Biegungen sitzt, die so konstruiert sind, dass sie den Spiegel lokal bewegen, wenn er mit Femtosekundenlaserlicht bestrahlt wird. Auf diese Weise wird der kommerzielle Femtosekundenlaser ein zweites Mal eingesetzt, um die Spiegel auszurichten und schliesslich einen stabilen Femtosekundenlaser in kleinem Massstab herzustellen.
«Dieser Ansatz zur permanenten Ausrichtung optischer Komponenten im freien Raum dank der Wechselwirkung zwischen Laser und Materie kann auf eine Vielzahl optischer Schaltkreise mit extremen Ausrichtungsauflösungen bis hinunter zu Sub-Nanometern ausgeweitet werden», so Bellouard.
Anwendungen und darüber hinaus
Laufende Forschungsprogramme im Galatea-Labor werden den Einsatz dieser Technologie im Zusammenhang mit der Montage optischer Quantensysteme untersuchen und dabei die Grenzen der derzeit erreichbaren Miniaturisierung und Ausrichtungsgenauigkeit ausloten.
Der Ausrichtungsprozess wird immer noch von einem menschlichen Bediener überwacht und kann mit etwas Übung einige Stunden in Anspruch nehmen. Trotz seiner geringen Grösse ist der Laser in der Lage, eine Spitzenleistung von etwa einem Kilowatt zu erreichen und Pulse von weniger als 200 Femtosekunden zu emittieren, was kaum ausreicht, um ein menschliches Haar zu durchdringen.
Diese neuartige Femtosekundenlasertechnologie soll von Cassio-P ausgegliedert werden, einem Unternehmen unter der Leitung von Antoine Delgoffe vom Galatea Lab, der in einer entscheidenden Phase des Projekts hinzukam, um den Konzeptnachweis zu einem künftigen kommerziellen Gerät zu führen.
«Ein Femtosekundenlaser, der sich selbst repliziert – sind wir vielleicht an dem Punkt angelangt, an dem sich selbst hergestellte Geräte klonen?»
