Gezielter Energieverlust nützt Laser beim Zünden

Mittels der sogenannten stimulierten Emission sorgt das aktive Material im Inneren eines Lasers dafür, dass Lichtquanten vervielfacht werden. Diesem Verstärkungseffekt wirken Lichtverluste durch Absorption, aber auch durch das genutzte Laserlicht entgegen. Um einen stabilen Dauerbetrieb zu ermöglichen, versuchen Laserhersteller üblicherweise die Einbußen zu minimieren. Von einem Lasersystem, das unter erhöhtem Verlust besser arbeitet, berichten Wissenschaftler um Bo Peng von der Washington University in St. Louis im Fachjournal „Science“.

Konventionelle Laser können gut mathematisch beschrieben werden. Geht ihnen zum Beispiel durch eine schlecht verspiegelte Außenwand des Lasers zu viel Licht verloren, bricht die Verstärkungsreaktion ab und der Laser erlischt. Für zwei gekoppelte Laser sagen die Gleichungen eine neue Situation voraus: Es treten sogenannte Entartungspunkte auf. Entartung liegt vor, wenn sich mehrere Quantenzustände des Systems bezüglich einer Messgröße nicht unterscheiden. Arbeitet der Laser nahe eines solchen Entartungspunktes, verhält er sich anders als es die übliche Lasertheorie erwarten lässt: „Bei geeigneter Kopplung kann eine Energiezufuhr die beiden Laser abschalten und ein Energieverlust kann die Laser zum Leuchten bringen”, erklärt Koautor Stefan Rotter von der TU Wien.

Zwei leuchtende Ringe berühren sich an der Peripherie. Im Rechten befindet sich ein grauer, runder Fremdkörper. Vom Linken geht tangential ein Strahl aus.
Gekoppelte Laserresonatoren

Die Forschergruppe um Peng stellte zwei ringförmige Laser her, die sie miteinander verband. In einem der beiden Laser brachten die Wissenschaftler zusätzlich eine feine Spitze aus Chrom ein, die Licht stark absorbieren kann. Je nach Einstellung der Spitze konnten sie den Lichtverlust fein dosieren. Ohne Absorption durch die Spitze konnte sich das Licht auf die beiden Ringresonatoren verteilen. Erhöhten die Wissenschaftler die Absorption, so erreichte das System den Entartungspunkt. Dabei entkoppelten die Resonatoren zunehmend und das Licht beschränkte sich auf je einen Ring. Indem sich ein Teil des Lichts auf den ungestörten Ring konzentrierte, wurde die Laserverstärkung darin angeregt. „In der Nähe des Entartungspunktes führt die Absorption der Spitze dazu, dass sich der Laser einschaltet und zu leuchten beginnt“, sagt Rotter, der den Effekt im Vorfeld mittels Computersimulationen studierte.


Ein gutes Verständnis solcher Entartungspunkte soll helfen, Verluste gezielt zu steuern und technisch zu nutzen. „Das kann für hochsensible Detektoren nützlich sein oder für jedes andere System, das aus gekoppelten Oszillatoren besteht, wie zum Beispiel in der Optomechanik“, so Rotter.