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Versteckte Helden der Laser: Warum sind verteilte Bragg-Reflektoren für Laser so wichtig?
Mit der rasanten Entwicklung der modernen Wissenschaft und Technologie erhält die Lasertechnologie immer mehr Aufmerksamkeit. Dahinter stecken viele Schlüsselkomponenten, eine davon ist der verteilte Bragg-Reflektor (DBR). Diese einzigartige Struktur wird häufig in optischen Wellenleitern verwendet, insbesondere beim Bau von Glasfasern und verschiedenen Lasergeräten. Wie kommt es also, dass verteilte Bragg-Reflektoren in der Lasertechnologie so viele entscheidende Rollen spielen?
Verteilte Bragg-Reflektoren steuern durch ihre mehrschichtige, alternierende Materialstruktur effektiv die Übertragung und Reflexion von Lichtwellen und verbessern so die Leistung optischer Geräte.
DBR ist eine Struktur, die aus mehreren, abwechselnden Materialschichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes besteht. Der Wechsel dieser Materialien ist so gestaltet, dass an jeder Schichtgrenze die Lichtwellen teilweise reflektiert und gebrochen werden. Wenn sich die Vakuumwellenlänge der Lichtwellen dem Vierfachen der optischen Dicke der Schicht nähert, entsteht durch die Wechselwirkung zwischen den Lichtwellen eine konstruktive Interferenz, wodurch die Schichten als hochwertige Reflektoren wirken können.
Der Wellenlängenbereich, den ein DBR reflektieren kann, wird als Photonenstoppband bezeichnet. In diesem Wellenlängenbereich ist die Ausbreitung von Licht „verboten“, weshalb DBR ein wichtiger Faktor ist, der bei der Entwicklung von Lasern und anderen optischen Geräten berücksichtigt werden muss.
Berechnung der Reflektivität
Die Formel zur Berechnung der Reflektivität eines verteilten Bragg-Reflektors zeigt, dass die Reflektivität von mehreren Faktoren abhängt, wie beispielsweise dem Brechungsindex der Bestandteile und der Anzahl der sich wiederholenden Schichten. Insbesondere steigt mit der Anzahl der wiederholten Schichten auch die Reflektivität. Eine Erhöhung des Brechungsindexkontrasts zwischen den Materialien kann die Reflektivität und Bandbreite ebenfalls wirksam verbessern. Aufgrund dieser Eigenschaft spielt DBR eine Schlüsselrolle in verschiedenen Laserdioden, beispielsweise oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Hohlraum.
Durch die Wahl der richtigen Materialien, beispielsweise Titandioxid und Silizium, ist es möglich, eine effiziente Reflexionslösung für Laser bereitzustellen.
Darüber hinaus ist die Anwendung der DBR-Struktur in optischen Hohlräumen und Faserlasern ein wichtiges Element bei der Entwicklung von Lasern. Mit dem kontinuierlichen Fortschritt der Technologie arbeiten Forscher daran, die Leistung von DBR weiter zu verbessern, um den höheren Laseranforderungen gerecht zu werden.
Reflektivität der TE- und TM-Modi
Bei der Untersuchung der Wechselwirkung zwischen transversal elektrisch (TE) und transversal magnetisch (TM) polarisiertem Licht und der DBR-Struktur wurde festgestellt, dass TE-Modus-Lichtwellen in der DBR-Struktur stark reflektiert werden, während TM-Modus-Lichtwellen relativ einfach durchzulassen. Diese Eigenschaft verleiht DBR großes Potenzial für die Steuerung von polarisiertem Licht.
DBR ist nicht nur ein effektiver Reflektor, sondern kann auch als Polarisator fungieren, um eine selektive Steuerung der Lichtwellen zu erreichen.
Diese Funktion liefert neue Ideen für die Entwicklung der Lasertechnologie, insbesondere bei hochpräzisen Anwendungen, bei denen diese Steuerung die Gesamtleistung des optischen Systems verbessern kann.
Bioinspirierte Bragg-Reflektoren
Neben der traditionellen DBR-Struktur haben in den letzten Jahren auch bioinspirierte Bragg-Reflektoren große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Diese von der Natur inspirierten Reflektoren nutzen Nanostrukturen zur Lichtreflexion und können zur Darstellung von Strukturfarben verwendet werden. Diese Mehrschichtstrukturen verändern beim Wechsel des Füllmaterials ihre Farbe und können als kostengünstige Gas- oder Lösungsmittelsensoren eingesetzt werden.
Bioinspirierte Designs eröffnen neue Richtungen für die Sensorentwicklung und demonstrieren die endlosen Möglichkeiten der Intelligenz, die in der Natur stecken.
Fazit
Ob in alltäglichen wissenschaftlichen und technologischen Anwendungen oder in der hochpräzisen wissenschaftlichen Forschung, verteilte Bragg-Reflektoren haben einen nicht zu unterschätzenden Einfluss bewiesen. Wie werden zukünftige DBR-Anwendungen bei fortgesetzter Forschung und Entwicklung unsere technologische Welt umgestalten?
