Neuer Laser aus kaltem Gas

Das Licht (violett) formt das „Optische Gitter“ (rot), es entsteht ein konischer Laserstrahl (gelber Ring). Quelle: Copyright: Physikalisches Institut, Arbeitsgruppe Quantenoptik (idw)

Physiker der Universität Tübingen haben einen neuartigen Laser aus kaltem Gas entwickelt: Mit so genannten „Optischen Gittern“ aus ultrakalten Atomen könnte es künftig gelingen, Materialien zu entwickeln, in denen sich Licht einschließen lässt. Über die Forschung von Dr. William Guerin und Alexander Schilke wird aktuell im Fachmagazin nature photonics’ berichtet.

Ein normaler Laser besteht aus einem Lichtverstärker und einem Satz Spiegel, der das verstärkte Licht zurück zum Verstärkereingang führt. Bei genügend effizienter Rückkopplung bildet sich spontan ein Laserstrahl aus, analog etwa zum akustischen Pfeifton, der entsteht wenn man ein Mikrofon zu nahe an einen Lautsprecher hält. In so genannten DFB-Lasern (distributed feedback) können die Spiegel auch durch ein Gitter ersetzt werden, das das Licht durch Beugung in sich zurückführt.

Den Forschern des Physikalischen Instituts der Universität Tübingen ist es nun gelungen, solche Reflektionsgitter komplett aus einem extrem dünnen Rubidiumgas herzustellen, das durch Laserlicht zu einem Stapel aus 10.000 extrem dünnen Scheiben geformt wird. Um solche „Optischen Gitter“ zu erzeugen, muss man das Gas auf Temperaturen von weniger als ein Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abkühlen, was aber mit einer Kombination von weiteren Laserstrahlen möglich ist. Dasselbe Rubidiumgas, aus dem das Gitter geformt wird, kann man gleichzeitig auch als optischen Verstärker verwenden. Man erhält so einen DFB-Laser, der nur aus Licht und einem Gas besteht, das eine Milliarde mal dünner ist als Luft.

Dr. William Guerin und sein Mitarbeiter Alexander Schilke befassen sich seit zwei Jahren in der Arbeitsgruppe „Quantenoptik“ mit der Reflektion von Licht an optischen Gittern. Ziel war die Entwicklung von Materialien mit sogenannter „photonischer Bandlücke“: Aus solchen periodisch strukturierten Materialien sollte Licht nicht mehr entweichen können, da es, egal in welche Richtung es sich bewegt, immer in sich zurückgebeugt wird. Auf diese Weise könnte man Licht in einem Material einschließen ‒ optische Gitter mit ultrakalten Atomen sind mögliche Kandidaten für die Realisierung derartiger optischer Designermaterialien.

Guerin und Schilke wollten eigentlich nur den Reflektionsgrad ihres Gitters weiter verbessern und über die bereits von ihnen erreichten 80 Prozent steigern. Dass dabei ein neuartiger Laser herauskam, war für die Forscher selber eine Überraschung. „Auf einmal waren unsere Photodetektoren gesättigt und wir haben unerwartete Lichtblitze gesehen, wo keine sein sollten“, sagt William Guerin, der aus Paris kommt, und seit zwei Jahren in Tübingen als Postdoc in der Arbeitsgruppe von Professor Claus Zimmermann arbeitet.

Anwendungen des neuen Lasers könnten in der Erzeugung kegelförmiger Zwillingsstrahlen mit besonderen Rauscheigenschaften liegen oder auch in der Entwicklung von ultravioletten Lasern für die konventionelle Spiegel nicht verwendet werden können. Dr. Guerin hat sich inzwischen für ein Stipendium beworben, das es ihm erlaubt, weitere zwei Jahre in Tübingen an seinem Ziel zu forschen, Licht mit ultrakalten und ultradünnen Gasen zu fangen.

Quelle: Eberhard Karls Universität Tübingen (idw)