Der Anti-Laser
In einem Silizium-Wafer löschen sich entgegenlaufen- de Laserstrahlen nahezu vollständig aus – die Entdeckung könnte zu neuen optischen Schaltelementen führen.
In einem Silizium-Wafer löschen sich entgegenlaufende Laserstrahlen nahezu vollständig aus – die Entdeckung könnte zu neuen optischen Schaltelementen führen.
Treffen Wellenberg auf Wellental, löschen sie sich gegenseitig aus. Dieser Effekt funktioniert bereits gut bei der Lärmunterdrückung mit Anti-Schall. Nun haben amerikanische Physiker an der Yale University dieses Prinzip auch auf Laserstrahlen angewandt und einen ersten Anti-Laser konstruiert. Dieses Experiment hat das Potenzial für zahlreiche, neue Anwendungen in der Optik bis hin zur besseren Datenverarbeitung in den Lichtchips der Zukunft.
Abb.: Prinzip des Anti-Lasers: Zwei entgegenlaufende Laserstrahlen treffen in einem Silizium-Block so aufeinander, dass sie sich theoretisch zu 99,999 Prozent auslöschen. Experimente kamen diesem Wert mit 99,4 Prozent schon sehr nahe. (Bild: Wenjie Wan et al./Science/AAAS)
Einen "perfekten, kohärenten Absorber" – kurz CPA - nennen Cao und Kollegen ihren Anti-Laser, da er Laserlicht ausgewählter Wellenlängen zu fast 100 Prozent auslöschen kann. Das unterscheidet dieses optische Element selbst von hervorragenden Absorber-Materialien, die einfallendes Licht kaum Wellenlängen-spezifisch verschlucken können. Da für die Funktion des Anti-Lasers eine exakte Justage sowohl der Lichtintensität als auch der Phase der Lichtwelle nötig ist, kann die Absorbtion zudem noch quasi per Knopfdruck gesteuert werden.
Für ihre Experimente nutzten die Forscher einen durchstimmbaren Titan-Saphir-Laser, dessen Wellenlänge sich zwischen 800 und 1000 Nanometer variieren ließ. Den infraroten Lichtstrahl spalteten sie in zwei Strahlen auf und lenkten diese von zwei entgegensetzten Seiten auf einen Silizium-Wafer, entsprechend einer Mach-Zehnder-Geometrie. In der circa 110 Mikrometer dünnen Siliziumschicht trafen die kohärenten Lichtsignale so aufeinander, dass sie sich zu 99,4 Prozent gegenseitig auslöschten. Die Scheibe wirkte dabei als Wellenleiter, in dem sich die Laserstrahlen bis zu fast vollständigen Absorbtion hin und her bewegen konnten.
Die im Licht enthaltende Energie wurde dabei im Wesentlichen iin Form von Wärme auf die Siliziumscheibe übertragen. Mit einem lichtempfindlichen Detektor analysierten die Forscher die Reststrahlung. Waren die beiden Laserstrahlen nicht genau aufeinander abgestimmt, konnte mehr Licht nachgewiesen werden. Dessen Intensität entsprach gemäß den Erwartungen dem normalen Absorbtions- und Streuverhalten der Siliziumscheibe.
"Ich bin zuversichtlich, dass wir das theoretische Limit von 99,999 Prozent mit ausgereifteren Absorbern erreichen werden", sagt Douglas Stone, der ebenfalls an den Experimenten beteiligte war. Da dieses erste Experiment nur die Machbarkeit von Anti-Lasern demonstrieren sollte, könnte bald auch mit Anti-laser als perfekte und schaltbare Absorber für andere Spektralbereiche vom ferneren Infraroten bis hin zum sichtbaren Licht gerechnet werden. Gelingt dieser Schritt, steht für die Entwicklung beispielsweise von extrem schnellen, optischen Schaltkreisen ein neues Modul zur Steuerung der datentragenden Lichtpulse zur Verfügung.
Jan Oliver Löfken
Weitere Infos
Weiterführende Literatur:
- J. de Rosny, M. Fink: Phys. Rev. Lett. 89, 124301 (2002)
- Y. D. Chong, L. Ge, H. Cao, A. D. Stone: Phys. Rev. Lett. 105, 053901 (2010)
- S. Longhi: Phys. Rev. A 82, 031801(R) (2010)
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