Frequenzumrichter machen einen großen Schritt in Richtung Miniaturisierung von Lasern

„Die nichtlineare Optik ist derzeit eine makroskopische Welt, aber wir wollen sie mikroskopisch machen“, sagte Chiara Trovatelloa, eine Postdoktorandin, die im Labor von James Schuck, einem außerordentlichen Professor für Maschinenbau an der Columbia, an der Forschung arbeitete.

Das Gerät – ein Bruchteil der Größe herkömmlicher Farbkonverter – könnte neue Arten ultrakleiner optischer Schaltkreischips produzieren und die Quantenoptik vorantreiben, sagten die Forscher. Geräte, die Laser verwenden, müssen häufig in der Lage sein, Laserlicht in verschiedenen Farben einzusetzen. Beispielsweise wird ein grüner Laserpointer durch einen Infrarotlaser erzeugt, der durch ein makroskopisches Material in eine sichtbare Farbe umgewandelt wird. Obwohl Forscher nichtlineare optische Techniken verwenden, um die Farbe des Laserlichts zu ändern, müssen herkömmlich verwendete Materialien relativ dick sein, damit die Farbumwandlung effizient erfolgt. Molybdändisulfid (MoS2) ist eines der am besten untersuchten Übergangsmetalldichalkogenide, bei denen es sich um zweidimensionale Materialien handelt, die sein können in atomar dünne Schichten geschält. Einzelne MoS2-Schichten können Lichtfrequenzen effizient umwandeln, sie sind jedoch zu dünn, um für den Bau von Geräten verwendet zu werden. Größere MoS2-Kristalle sind in einer nicht farbkonvertierenden Form tendenziell stabiler. Um die notwendigen Kristalle, bekannt als 3R-MoS2, herzustellen, arbeitete das Team mit dem kommerziellen 2D-Materiallieferanten HQ Graphene zusammen. Die Forscher charakterisierten, wie effizient Geräte aus MoS2-Stapeln mit einer Dicke von weniger als 1 μm Lichtfrequenzen bei Telekommunikationswellenlängen umwandeln, um verschiedene Farben zu erzeugen.

Mithilfe von 3R-MoS2 testeten die Forscher, wie effizient Proben unterschiedlicher Dicke die Lichtfrequenz umwandeln. Um das von einer Probe erzeugte Licht zu registrieren, sind normalerweise spezielle Sensoren erforderlich, und es dauert lange, bis sie dies tun, sagte Xinyi Xu, ein Doktorand in Schucks Labor. „Bei 3R-MoS2 konnten wir die extrem große Verbesserung fast sofort sehen“, sagte er. Das Team zeichnete diese Umwandlungen bei Telekommunikationswellenlängen auf.