Gewinnen durch Verlust
Scheinbar widersinniges, theoretisch vorhergesagtes Verhalten von Lasern jetzt experimentell bestätigt.
Was zunächst wie eine mathematische Kuriosität aussah ist nun zur neuen Laser-Technologie geworden. Vor zwei Jahren hatten Physiker der TU Wien einen paradoxen Laser-Effekt vorhergesagt: In bestimmten Situationen kann man einen Laser einschalten, indem man ihm nicht mehr Energie zuführt, sondern ihm stattdessen Energie entnimmt. Erste experimentelle Anzeichen für diesen Effekt wurden vor kurzem an der TU gefunden; nun konnte er in Zusammenarbeit mit Teams von der Washington University in St. Louis und von RIKEN auf ein weiteres Laser-System übertragen und dort präzise vermessen werden.
Abb.: Eine Licht-Faser (gelbe Lini, oben) versorgt zwei kreisförmige, aneinander gekoppelte Raman-Laser mit Energie. Fügen die Forscher einem der beiden Laser Verluste zu, wie durch den absorbierenden Streuer (unten rechts), beginnt das gekoppelte System zu lasen und emittiert einen kohärenten Lichtstrahl (rote Linie; Bild: J. Zhu, B. Peng, S.K. Ozdemir, L. Yang, TU Wien)
Matthias Liertzer und Stefan Rotter stießen zunächst in Computersimulationen auf den Effekt: „Wenn man zwei kleine, gleichartig gebaute Laser in engen Kontakt zueinander bringt, dann können sich diese auf eine Weise beeinflussen, die auf den ersten Blick jeder Erwartung widerspricht“, erklärt Rotter. „Normalerweise leuchtet ein Laser, wenn man ihm mehr Energie zuführt. Doch bei geeigneter Laser-Kopplung kann eine Energiezufuhr die beiden Laser abschalten und ein Energieverlust kann die Laser zum Leuchten bringen.“
„Die Eigenschaften der Laser kann man durch mathematische Gleichungssysteme sehr gut beschreiben und verstehen“, erklärt Liertzer. „Wenn man sich diese Gleichungen genau ansieht, mit denen auch die Kopplung zwischen zwei Lasern beschrieben wird, dann stellt man fest, dass hier sogenannte Entartungspunkte auftreten. Befindet sich der Zustand, der den Laser mathematisch charakterisiert, in der Umgebung eines solchen Entartungspunktes, dann zeigt sich paradoxes Verhalten.“
Im Experiment, das Bo Peng und Sahin Kaya Ozdemir mit der Gruppe von Lan Yang in St. Louis durchgeführt haben, stellten sie zwei winzige kreisförmige Laser her, die sie in unmittelbarer Nähe zueinander platzierten. Zusätzlich brachten sie eine feine Spitze aus Chrom in das System ein, die Licht stark absorbiert. Durch genaues Justieren der Spitze ließ sich der Lichtverlust fein dosieren. „Die Experimente bestätigten unsere Vorhersagen: Wenn sich das System in der Nähe des Entartungspunktes befindet, führt die Absorption der Spitze dazu, dass sich der Laser einschaltet und zu leuchten beginnt“, sagt Rotter.
Die Besonderheiten solcher Entartungspunkte zu verstehen wird für ganz unterschiedliche technologische Anwendungen wichtig sein, glaubt Rotter: „Das kann für hochsensible Detektoren nützlich sein, oder für jedes andere System das aus gekoppelten Oszillatoren besteht, wie zum Beispiel in der Opto-Mechanik. Jedenfalls gibt es noch viele interessante Effekte, die man im Zusammenhang mit diesen Entartungspunkten studieren kann“, meint Rotter.
TU Wien / OD
