Student ontdekt discrepantie in theorie bolvormige nanolasers
Nu complete labs op nanoschaal kunnen worden gefabriceerd, zoeken wetenschappers naar steeds kleinere lichtbronnen. Zo zouden bolvormige nanolasers gebruikt kunnen worden als lichtbron in lab-on-a-chip toepassingen. Bij het karakteriseren van zo’n bolvormige nanolaser, ontdekte een student van de Universiteit Twente dat de gangbare beschrijving van een dergelijke laser niet klopt. Samen met zijn begeleiders van de Universiteit Twente en het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam, publiceert hij half mei de resultaten in Optics Letters.
Waterdruppels of plastic bolletjes laten licht van richting veranderen. Dat veroorzaakt regenbogen op dagen dat de zon door de regen schijnt. In principe kan elk deeltje licht verstrooien, maar alleen voor bolvormige deeltjes is precies bekend hoe dat gebeurt. Aan het begin van de twintigste eeuw werkten wetenschappers als Mie en Lorentz aan een beschrijvende theorie, die nu bekend staat als de Mie-theorie.
De Mie-theorie beschrijft hoe licht dat op een bol valt, zijn weg vervolgt. Dat doet de geometrische optica ook, maar dat is een vereenvoudiging van de werkelijkheid. De wet van Snellius is prima bruikbaar in de zichtbare wereld om ons heen, maar als de afmetingen van de bol erg klein worden, klopt hij niet meer. Je kunt licht niet als straal beschrijven als het valt op voorwerpen die ongeveer zo groot zijn als de golflengte van het licht. Bij die afmetingen gaat de wet van Snellius niet op en moeten fysici het doen met de veel ingewikkeldere Mie-theorie.
Gedrag van kleine lichtbronnen
Wetenschappers van de Universiteit Twente (UT) en het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam onderzoeken zulke kleine bollen 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. Dat zijn 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. UT-student Peter Zijlstra ontdekte echter tijdens zijn afstudeeronderzoek onder begeleiding van FOM-promovendus Karen van der Molen, 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.
Theorie aanpassen
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.
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met ir. Karen van der Molen, Universiteit Twente, telefoon (053) 489 54 76. Informatie is ook te vinden op http://cops.tnw.utwente.nl.