Raman-lasing: hoe trillende atomen laserlicht opwekken
Raman-lasing is een techniek om laserlicht te maken via een natuurkundig effect dat optreedt wanneer licht op trillende deeltjes in een materiaal botst. Normaal gesproken kaatst licht simpelweg terug of wordt het geabsorbeerd, maar bij een klein deel van de fotonen (lichtdeeltjes) gebeurt er iets bijzonders: ze geven een beetje van hun energie af aan een trillend molecuul of kristalrooster en komen er met een net iets langere golflengte weer uit. Vergelijk het met een bal die tegen een zacht veertje botst: de bal kaatst niet zomaar terug, maar verliest eerst een beetje snelheid aan het veertje voordat hij wegrolt. Dit verschijnsel heet Raman-verstrooiing, genoemd naar de Indiase natuurkundige C.V. Raman, die het in 1928 ontdekte en er in 1930 de Nobelprijs voor kreeg.
Bij Raman-lasing wordt dit verstrooiingseffect zo versterkt dat er, net als bij een gewone laser, een gebundelde, felle lichtstraal van één golflengte ontstaat. Het bijzondere is dat dit lukt in materialen die van zichzelf helemaal geen laserlicht kunnen maken. Silicium, het materiaal waar computerchips van gemaakt zijn, is daarvan het bekendste voorbeeld: door zijn kristalstructuur kan silicium normaal geen licht uitzenden zoals de laserdiode in een cd-speler dat doet. Via het Raman-effect lukte het onderzoekers toch om silicium te laten lasen, wat de deur opende naar chips die licht en elektronica combineren.
Wat is het precies?
Een Raman-laser bestaat, net als iedere laser, uit twee basisonderdelen: een lichtbron die energie levert (de pomplaser) en een materiaal waarin die energie wordt omgezet in nieuw licht. Het verschil met een gewone laser zit in wat er in dat materiaal gebeurt.
In een klassieke laser, zoals die in een laserpointer, wordt licht versterkt doordat atomen die door de pomplaser zijn 'opgeladen' hun energie afgeven aan langskomend licht van precies de juiste golflengte. In een Raman-laser gebeurt iets anders: de pompfotonen botsen op moleculen of het kristalrooster van het materiaal en zetten deze lichtjes in trilling. Die trilling kost energie, die aan het foton wordt onttrokken. Het foton dat overblijft heeft dus iets minder energie en dus een iets langere golflengte dan het pompfoton. Dit verschijnsel heet de Stokes-verschuiving.
Bij lage lichtintensiteit gebeurt dit maar af en toe en verstrooit het licht in alle richtingen, zonder dat er een echte laserstraal ontstaat. Stuur je echter heel veel pomplicht door een geschikt materiaal, dan ontstaat een lawine-effect: eenmaal verstrooide fotonen lokken op hun beurt weer nieuwe, identieke fotonen uit bij volgende botsingen. Dit heet gestimuleerde Raman-verstrooiing. Voeg je hier een resonantieholte aan toe (spiegels aan weerszijden die het licht heen en weer laten kaatsen), dan groeit het proces uit tot een echte laserstraal: gebundeld, coherent (de lichtgolven lopen mooi in de pas) en van één scherp bepaalde golflengte.
Voor de meeste materialen is de benodigde lichtintensiteit erg hoog. Onderzoekers lossen dit vaak op door het licht door lange, dunne glasvezels te sturen, waarin het licht kilometers lang opgesloten blijft in een piepklein oppervlak, of door materialen te gebruiken die van nature een sterk Raman-effect vertonen, zoals diamant.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel van Raman-lasing is toegang krijgen tot golflengten en materialen die met gewone lasertechniek niet of nauwelijks te bereiken zijn. Klassieke lasers zijn gebonden aan de specifieke energieniveaus van hun lasermateriaal, bijvoorbeeld erbium of neodymium. Een Raman-laser kan in principe met vrijwel iedere pompgolflengte een nieuwe golflengte maken, simpelweg door een ander materiaal of een langere glasvezel te kiezen.
Een tweede, minstens zo belangrijke drijfveer is siliciumfotonica: het streven om licht en elektronica op één chip te combineren, met dezelfde goedkope productietechnieken die ook voor computerchips gebruikt worden. Omdat silicium van zichzelf geen laserlicht maakt, was het Raman-effect lange tijd een van de weinige manieren om toch een laser volledig in silicium te integreren.
Daarnaast wordt Raman-versterking gebruikt om signalen in glasvezelnetwerken te versterken zonder dat er een apart lasermateriaal nodig is: de glasvezel zelf, waar het signaal toch al doorheen loopt, doet dienst als versterkingsmedium. Dat maakt de techniek aantrekkelijk voor telecomnetwerken over lange afstand, waar signalen anders te zwak worden.
Voorbeelden uit de praktijk
In 2004 lieten Ozdal Boyraz en Bahram Jalali van de University of California, Los Angeles (UCLA) de eerste siliciumlaser op basis van het Raman-effect zien, zij het nog in gepulste vorm: de laser gaf alleen korte lichtflitsen af, geen continue straal.
Een jaar later, in 2005, publiceerde een team van Intel onder leiding van Haisheng Rong in het tijdschrift Nature de eerste continu werkende siliciumlaser op basis van het Raman-effect. Om te voorkomen dat het silicium zelf het pomplicht weer opslokte, bouwden ze een diodestructuur in de chip die overtollige ladingsdragers wegzoog. Dit resultaat gold destijds als een belangrijke doorbraak voor siliciumfotonica.
Aan de Macquarie University in Australië ontwikkelt de onderzoeksgroep van Rich Mildren sinds het begin van de jaren 2010 Raman-lasers op basis van diamant. Diamant geleidt warmte uitzonderlijk goed en vertoont een relatief sterk Raman-effect, waardoor deze lasers hoge vermogens aankunnen. Zulke diamant-Raman-lasers worden onder meer onderzocht voor medische toepassingen en voor het omzetten van bestaand laserlicht naar golflengten die met andere technieken lastig te maken zijn.
In de telecomsector worden Raman-versterkers sinds eind jaren negentig en begin jaren 2000 op grote schaal ingezet in glasvezelverbindingen over lange afstand, waaronder onderzeese kabels, als aanvulling op de gangbare erbium-gedoteerde versterkers. Fabrikanten van optische netwerkapparatuur zoals Nokia en Lumentum leveren hiervoor techniek die het signaal versterkt binnen de bestaande transmissievezel zelf.
Fabrikant IPG Photonics, opgericht door de Russisch-Amerikaanse natuurkundige Valentin Gapontsev, gebruikt gecascadeerde Raman-vezellasers om golflengten te bereiken die met gangbare, met zeldzame aardmetalen gedoteerde vezellasers niet of moeilijk te maken zijn, bijvoorbeeld voor het pompen van andere lasers of voor industriële toepassingen.
Hoe ver is de techniek?
Raman-lasing is geen nieuwe wetenschap: het onderliggende effect van gestimuleerde Raman-verstrooiing is al sinds de jaren zestig van de vorige eeuw bekend, kort nadat de eerste lasers werden gebouwd. Wat de afgelopen twee decennia vooral is veranderd, is de mate waarin de techniek praktisch bruikbaar is gemaakt.
Raman-versterking in telecomglasvezels en Raman-vezellasers zijn inmiddels volwassen, commercieel verkrijgbare technologie die dagelijks in netwerken en industriële lasersystemen draait. Op dat vlak is Raman-lasing dus geen toekomstbelofte meer, maar gangbare techniek.
Siliciumlasers op basis van het Raman-effect staan er anders voor. Sinds de doorbraak van Intel in 2005 zijn er verbeteringen gekomen in efficiëntie en stabiliteit, maar de techniek wordt in de praktijk nauwelijks toegepast: ze vraagt relatief veel pompvermogen en is gevoelig voor ongewenste absorptie-effecten in silicium. Inmiddels zijn er ook alternatieve manieren gevonden om licht op siliciumchips te krijgen, bijvoorbeeld door er andere materialen zoals indiumfosfide bovenop of naast te integreren. Daardoor is de Raman-siliciumlaser eerder een belangrijke wetenschappelijke mijlpaal gebleven dan een breed toegepaste technologie.
Diamant-Raman-lasers zitten nog vooral in de onderzoeksfase, met de afgelopen tien jaar gestage vooruitgang in opgewekt vermogen en bereikbare golflengten. De belangrijkste hobbel is de beschikbaarheid van optisch zeer zuivere, synthetische diamant van voldoende omvang; kleine onzuiverheden verstoren het Raman-proces of veroorzaken ongewenste opwarming.
Wie werken eraan?
Op het gebied van siliciumfotonica en Raman-lasers in silicium hebben vooral Intel en de University of California, Los Angeles (met de groep van Bahram Jalali) een voortrekkersrol gespeeld. Daarna namen ook andere Amerikaanse universiteiten, zoals Cornell, en onderzoeksgroepen in onder meer China dit onderwerp verder op.
Diamant-Raman-lasers worden vooral ontwikkeld aan de Macquarie University in Australië, met de groep van Rich Mildren als bekendste voorbeeld, vaak in samenwerking met leveranciers van synthetische diamant.
In de telecom- en industriële lasersector zijn het vooral gevestigde fotonicabedrijven die Raman-technologie toepassen, zoals IPG Photonics voor vezellasers en netwerkleveranciers als Nokia en Lumentum voor optische versterkers. Daarnaast doen vakverenigingen zoals Optica (voorheen de Optical Society, OSA) en talloze universitaire natuurkunde- en fotonicagroepen wereldwijd fundamenteel onderzoek naar nieuwe Raman-lasermaterialen.