14 mei 2013
FOM-onderzoekers ontwerpen nieuw soort laser
Onderzoekers van de Stichting FOM, de Universiteit Leiden, de Technische Universiteit Eindhoven en Philips Research hebben een nieuw soort laser gemaakt. Deze laser maakt gebruik van lichtbundels die zijn gevangen op een metaaloppervlak, zogenaamde oppervlakteplasmonen. Omdat deze gevangen lichtbundels veel compacter zijn dan licht in de vrije ruimte, bieden ze de mogelijkheid ultrakleine lasers te maken die bijvoorbeeld gebruikt kunnen worden in beeldschermen. Uniek aan de nieuwe laser is dat de onderzoekers duidelijk konden aantonen dat het laserlicht daadwerkelijk afkomstig is van oppervlakteplasmonen. De onderzoekers publiceerden hun werk op 13 mei in Physical Review Letters.
afbeelding 1: De waargenomen lichtpatronen bij verschillende kleuren licht
Uit deze patronen konden de onderzoekers afleiden dat de oppervlakteplasmonen verantwoordelijk zijn voor de laserwerking.
afbeelding 2: Een schets van het experiment
Een goudlaagje, doorboord met een rooster van minuscule gaatjes, is op een versterkingsmateriaal geplaatst.
De oppervlakteplasmonlaser bestaat uit een dun gouden oppervlak met zo’n duizend minuscule gaatjes – een ontwerp dat niet eerder werd gebruikt. De gaatjes weerkaatsen de oppervlakteplasmonen en vormen ze daarbij om tot gewoon licht. Het rooster is op een materiaal geplakt dat het licht verder versterkt. Als de totale lichtversterking voldoende is, krijgt het licht de kenmerkende eigenschappen van een laser: een felle, goed gerichte bundel van één enkele kleur.
Lichtpatronen
“Het bijzondere aan onze experimenten is dat we heel goed kunnen laten zien dat de oppervlakteplasmonen verantwoordelijk zijn voor de laserwerking”, zegt FOM-werkgroepleider dr. Martin van Exter. Bij eerdere oppervlakteplasmonlasers was dat namelijk niet eenvoudig vast te stellen. Om de rol van de oppervlakteplasmonen te bepalen, bestudeerden de onderzoekers de uitgezonden lichtpatronen. Daaraan zagen zij dat, en hoe, de oppervlakteplasmonen in het rooster weerkaatsten.
“We kunnen drie dingen uit deze patronen leren. Ten eerste: elk patroon is te spiegelen langs een verticale en horizontale lijn, net zoals het rooster. Dat geeft aan dat de patronen worden bepaald door het vierkante rooster. Ten tweede geven de patronen aan dat het licht over het goudoppervlak reist”, zegt van Exter. Elke horizontale en verticale lijn in het lichtpatroon komt namelijk overeen met een oppervlakteplasmon op het oppervlak. “Tot slot konden we zien dat de oppervlakteplasmonen heen en weer worden gekaatst door de gaatjes”, aldus Van Exter. Dat laatste zagen de wetenschappers aan afwijkende vormen in de lichtpatronen, zoals lichte ringen. Deze patronen ontstaan alleen als de oppervlakteplasmonen in het rooster weerkaatsen.
Dikte van een haar
Lasers kennen allerlei toepassingen, van dvd-spelers tot medische toepassingen. Met de plasmontechniek kunnen lasers vele malen kleiner worden. De dikte van de gemaakte oppervlakteplasmonlaser is nu slechts een paar duizendsten van de dikte van een haar, maar de onderzoekers stellen dat het systeem wellicht nog dunner kan. Ook het aantal gaatjes kan mogelijk worden teruggedrongen, van de huidige duizend gaatjes tot slechts enkele tientallen. In de toekomst zou de plasmontechnologie bruikbaar kunnen zijn in computers of beeldschermen.
Referentie
‘Surface Plasmon Lasing Observed in Metal Hole Arrays’ Frerik van Beijnum, Peter J. van Veldhoven, Erik Jan Geluk, Michiel J.A. de Dood, Gert W. ’t Hooft, and Martin P. van Exter. Physical Review Letters 13 mei 2013.
