Utvecklar nästa generations lasrar med inbyggd optik

Projektanslag 2020

Metasurface-Emitting Lasers: Tomorrows Light Sources for Applied Photonics

Huvudsökande:
Professor Mikael Käll

Medsökande:
Chalmers tekniska högskola
Åsa Haglund
Anders Larsson
Philippe Tassin

Lärosäte:
Chalmers tekniska högskola

Beviljat anslag:
38 100 000 kronor under fem år

I dag är lasern en nyckelkomponent i många teknologier. Laserljuset bär inte bara information i våra fibernät utan används även till ansiktsigenkänning och för att styra självkörande fordon. Dessutom används laserljuset i nya metoder inom biovetenskap och medicin. 

Framför allt är det en särskild form av laserteknik som accelererat utvecklingen: vertikalkavitetslasern. Den går att bygga mycket kompakt vilket gör att den ryms i vardagsteknik som till exempel mobiltelefoner. 

Men som andra lasertekniker kräver även vertikalkavitetslasern optiska komponenter för att ge önskat resultat. Ett nytt projekt med finansiering från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse har som mål att bygga in optiken i själva lasern. Vägen dit går via något som kallas metaytor. 

Inom nanooptik är begreppet metayta väletablerat och innebär att ett material beläggs av en ultratunn yta av nanopartiklar i en skräddarsydd struktur. Trots att metaytan är tunnare än ljusets våglängd så har den egenskaper som styr hur ljuset bryts eller reflekteras. Bland de mer fantasieggande användningarna av metaytor finns beläggningar som kan göra objekt mer eller mindre osynliga.

Metaytan kan till exempel konstrueras för att fungera som en optisk lins. När en vertikalkavitetslaser beläggs med en sådan metayta behövs därför inte längre en extern lins. Resultatet blir en enhet som kan tillverkas i ett enda stycke.  

– Det gör det möjligt att bygga mycket kompakta enheter som rymmer såväl elektronik som ljuskälla och optik. I längden kan det bli både billigare och enklare att tillverka än dagens lasrar och resultera i mer energieffektiva enheter, säger Mikael Käll, professor vid Chalmers tekniska högskola. 

Världsledande forskning

Projektet kombinerar flera forskargrupper från Chalmers, där kunskapen om lasrar och särskilt vertikalkavitetslaser är världsledande. Åsa Haglunds forskargrupp utvecklar vertikalkavitetslasrar för blått och ultraviolett ljus, medan Anders Larssons grupp fokuserar på lasrar som ger nära infrarött ljus. Kunskaperna kompletteras av teoretikern Philippe Tassin. 

Forskarna tar sig an projektet i flera parallella steg där ett av de första är att skapa en enhet där en metalins etsas i en laser för att styra ljusets riktning och fokusering. 

– Vi börjar med det nära infraröda eftersom vertikalkavitetslasrarna för det våglängdsområdet är väletablerade. Samtidigt är det långt ifrån enkelt att lyckas skapa rätt effekt i materialet. Det kräver både omfattande teoretiska beräkningar och att vi hittar fram till en etsningsprocess med rätt resultat, säger Mikael Käll. 

Projektets andra del har ett mer utmanande mål: att etsa metaytor direkt i den del av lasern där själva ljuset alstras. Där kan metaytan reflektera tillbaka en del av ljuset in i lasern vilket kan göra det enklare att styra vilken våglängd och polarisation som genereras. Här ligger fokus först på vertikalkavitetslasrar för ultraviolett ljus, där Åsa Haglunds forskargrupp är bland de som nått kortast våglängder i världen.

– En ännu mer utmanande möjlighet är att ha flera lasrar som kopplas samman för att samverka med varandra med hjälp av en metayta. Det öppnar för lasrar med betydligt högre effekt, och även om det är ett långskott så finns det en del som tyder på att det kan fungera, säger Mikael Käll. 

Nya möjligheter inom mikroskopi

Som ett resultat av teknikutvecklingen ska projektet även ge exempel på nya tillämpningar av lasrar som bär metaytor. 

– Lyckas vi få enheterna så kompakta som vi hoppas kan vi använda tekniken till nya ljuskällor, till exempel för fluorescensmikroskopi som används flitigt inom biofysik och cellbiologi. Inspirerat av min tidigare forskning så kan vi förhoppningsvis även bygga molekylära sensorer där lasern byggs som en del av sensorn, säger Mikael Käll. 

Lasrar med metaytor kan även komma att användas till att skapa miniatyriserade labb, så kallade ”lab-on-chip”, samtidig som de kan förbättra dagens teknik för ansiktsigenkänning och avståndsbedömning för självkörande bilar.  

Stora utmaningar

Bland de många utmaningar forskarna står inför finns såväl de teoretiska beräkningarna som krävs för att förstå hur ljuset integrerar med metaytorna, som att lyckas med de svåra etsningsprocesser som krävs i nanoskala. I designsteget tar de hjälp av olika AI-metoder som djupinlärning. 

– Även om vi gör allt rätt så är det inte säkert att det blir så effektivt som vi hoppas. Vi måste skapa enheter som blir bättre än dagens för att de ska få någon användning. Detta är ett dynamiskt forskningsfält med många aktiva forskargrupper internationellt, men vi tror oss ha kompetensen att göra ett avtryck.

Projektet har gett forskarna från Chalmers en efterlängtad chans att samarbeta, menar han. 

– Vi har haft många diskussioner över åren utan att hitta någon möjlighet att arbeta tillsammans. Anslaget från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse ger oss ett gemensamt mål där vi hoppas kunna göra en skillnad inom fältet, säger Mikael Käll. 

Text Magnus Trogen Pahlén
Bild Johan Wingborg