Weltweit erster Anti-Laser gebaut

Yidong Chong/Yale University
Yidong Chong/Yale University

Mehr als 50 Jahre nach der Erfindung des Lasers haben Wissenschaftler der Yale Universität den weltweit ersten Anti-Laser gebaut, in dem eintreffende Lichtbündel interferieren, so dass sie sich gegenseitig perfekt auslöschen. Die Entdeckung könnte den Weg für viele neue Technologien bereiten, mit Anwendungen in optischen Computernsystemen bis hin zu Radiologie.

Konventionelle Laser, die erstmals 1960 erfunden wurden, verwenden ein so genanntes “Verstärkungsmedium” – normalerweise ein Halbleiter wie Gallium-Arsenid -, um einen konzentrierten Strahl aus kohärentem Licht zu erzeugen. Dabei handelt es sich um Lichtwellen mit derselben Frequenz und Amplitude.

Im letzten Sommer veröffentlichten der Yale Physiker A. Douglas Stone und sein Team eine Studie, welche die hinter einem Anti-Laser stehende Theorie erklärt und zeigt, dass solch ein Gerät unter Verwendung von Silizium, dem gebräuchlichsten Halbleitermaterial, gebaut werden könnte. Aber erst jetzt, nach der Zusammenarbeit mit einer Experimentalgruppe des Kollegen Hui Cao, hat das Team einen funktionierenden Anti-Laser gebaut, den sie als kohärenten perfekten Absorber bezeichnen (CPA, coherent perfect absorber).

Das Team, dessen Ergebnisse in der Science-Ausgabe vom 18. Februar erscheinen, fokussierte zwei Laserstrahlen einer bestimmten Frequenz in einen Hohlraum, in dem sich ein Halbleiterplättchen aus Silizium befand, welches als “Abschwächungsmedium” fungierte. Das Plättchen richtete die Lichtwellen so aus, dass sie erst perfekt gefangen, und dann so lange vor- und zurückgeworfen wurden, bis sie absorbiert und in Wärme umgewandelt wurden.

Stone glaubt, dass CPAs eines Tages als optische Schalter, Detektoren und andere Komponenten in der nächsten Computergeneration, optische Computer genannt, eingesetzt werden könnten, welche zusätzlich zu Elektronen auch mit Licht funktionieren. Eine andere Anwendungsmöglichkeit könnte die Radiologie betreffen, indem das CPA-Prinzip Stone zufolge auf elektromagnetische Strahlung angewendet würde, um therapeutische oder bilderzeugende Zwecke zu erfüllen.

Theoretisch sollte der CPA in der Lage sein, 99,999 Prozent des eintreffenden Lichts zu absorbieren. Aufgrund experimenteller Grenzen absorbiert der aktuelle CPA des Teams 99,4 Prozent. “Aber der CPA, den wir gebaut haben, ist nur ein Beweis für die Machbarkeit des Konzepts”, sagte Stone. “Ich bin zuversichtlich, dass wir das theoretische Limit erreichen, wenn wir anspruchsvollere CPAs konstruieren.” Der erste CPA des Teams ist einen Zentimeter groß, aber Stone sagte, dass Computersimulationen gezeigt hätten, wie man einen CPA von sechs Mikrometern Größe bauen kann. Das entspricht einem Zwanzigstel der Dicke eines durchschnittlichen menschlichen Haares.

Das Team, das den CPA unter der Leitung von Cao und einem anderen Yale Physiker, Wenhie Wan, konstruierte, demonstrierte den Effekt für nahinfrarote Strahlung, die etwas “roter” ist als das menschliche Auge sehen kann. Dies ist die Lichtfrequenz, die das Gerät absorbiert, wenn gewöhnliches Silizium verwendet wird. Aber das Team denkt, dass mit Änderungen am Hohlraum und am Abschwächungsmedium in zukünftigen Versionen auch die Absorption von sichtbarem Licht und die Absorption von bestimmten, in der Glasfiberkommunikation benutzten Infrarotfrequenzen möglich sein wird.

Stone hatte die Idee für einen Anti-Laser erstmals, während er einem Gastprofessor die komplexe Physik erklärte, welche hinter Lasern steht. Als er seinen Kollegen vorschlug, über einen Laser nachzudenken, der “rückwärts” funktioniert, begann Stone sich mit der Frage zu beschäftigen, ob es möglich wäre, einen Laser zu bauen, der verkehrt herum funktioniert und Licht bestimmter Frequenzen absorbiert anstatt es zu emittieren.

“Aus einem sinnvollen Gedankenexperiment wurde die ernsthafte Frage, ob man das wirklich tun kann”, sagte Stone. “Nach ein paar Recherchen haben wir herausgefunden, dass verschiedene Physiker das Konzept in Büchern und wissenschaftlichen Arbeiten angedeutet hatten, aber niemand hat jemals die Idee entwickelt.”

Quelle: http://opac.yale.edu/news/article.aspx?id=8272

(THK)

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