Student ontrafelt bolvormige nanolasers

Wetenschappers van de UT en het AMOLF onderzoeken bolvormige deeltjes om het gedrag van kleine lichtbronnen te analyseren. De bolletjes in hun experimenten hebben een diameter van 0,01 millimeter, zo’n tien keer de golflengte van zichtbaar licht. Ze zijn gevuld met dye moleculen: een soort kleurmoleculen die fotonen uitzenden onder invloed van een externe pomp, een korte laserpuls van buitenaf. Als de dye moleculen dicht genoeg op elkaar zitten, kunnen ze elkaar stimuleren om meer fotonen uit te zenden en zo ontstaat gestimuleerde emissie: het bolletje is een laser. De pomp zet de nanolaser ‘aan’.

Om het gedrag van een lichtbron binnenin een bol te beschrijven, gebruiken fysici een uitbreiding van de Mie-theorie, die aan het begin van de 20ste eeuw werd ontwikkeld door wetenschappers als Mie en Lorentz. Peter Zijlstra ontdekte echter tijdens zijn afstudeeronderzoek, dat de bolvormige nanolasers zich niet zo gedragen als de gangbare theorie voorspelt. Die theorie blijkt boven een bepaalde lichtopbrengst te divergeren, waardoor de nanolaser een soort optische atoombom zou worden. In werkelijkheid zit er een grens aan de lichtopbrengst, maar de gangbare theorie blijkt daar niet in te voorzien. Met zeer nauwkeurige metingen van de intensiteit en de golflengte van het laserlicht hebben de onderzoekers de gangbare theorie bevestigd, tot op het punt dat de theorie divergeert. Dat punt heet de laser threshold, en is precies het moment waarop het licht in de bol zoveel versterkt wordt dat de bol een laser wordt.

De onderzoekers zijn de eersten die deze discrepantie in de gangbare theorie ontdekt hebben. Zij stellen in een artikel aan Optics Letters voor om de theorie aan te passen. Dat kan door rekening te houden met de dynamica van de korte, externe laserpuls die de nanolaser aanzet en met het gedrag van de dye moleculen in de bol. Door de aanpassingen die zij voorstellen, wordt de lichtversterking in de theorie tijdsafhankelijk en is er geen divergentie meer. Het artikel in Optics Letters is online gepubliceerd en zal in mei in print verschijnen.