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Neues aus der Welt der Wissenschaft |
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"Geburt" eines Photons im Laser beobachtet |
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| | | Wiener Physikern ist es erstmals gelungen, die "Geburt" eines Photons in einem Laser zu beobachten. Mit Hilfe ultrakurzer Laserpulse konnten sie verfolgen, wie sich die Lichtteilchen in einem sogenannten Quantenkaskadenlaser bilden. |
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Von der direkten Messung der stimulierten Emission von Photonen berichtet das Team um Karl Unterrainer vom Institut für Photonik der Technischen Universität (TU) Wien im Fachjournal "Nature". Bei der Messung handelt es sich um einen extrem schnellen und komplexen Vorgang
(10-13s).
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Die Studie "Phase-resolved measurements of stimulated emission in a laser" ist in "Nature" (Bd. 449; S. 698; Ausgabe vom 11.10.07) erschienen. |
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 Abstract in "Nature" |
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Verbindung zweier Techniken |
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Gelungen sind den Forschern die Beobachtungen durch die Verbindung zweier Techniken: einerseits die Fähigkeit, extrem kurze Laserpulse zu erzeugen - ein Gebiet, wo die TU-Wissenschaftler schon einige Weltrekorde aufgestellt haben.
Andererseits sind sie spezialisiert auf den Bau von neuartigen Quantenkaskadenlasern, die Terahertz-Strahlung emittieren.
Diese wurden schon als "Wunderstrahlen" bezeichnet, die künftig Menschen durchleuchten könnten, ohne Schäden zu hinterlassen, oder für die Detektion von Sprengstoffen oder Waffen etwa auf Flughäfen eingesetzt werden könnten.
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Sandwich-Struktur der Laser |
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"Bei diesem neuen Laser-Konzept hängt die Wellenlänge des emittierten Lichts vom Quantendesign der eingesetzten Halbleiter ab und nicht - wie bei herkömmlichen Lasern - vom eingesetzten Material", betonte Unterrainer.
So wie beim diesjährigen Physik-Nobelpreis, der am Dienstag Peter Grünberg und Albert Fert für die Entdeckung des "Riesenmagnetowiderstands" zuerkannt wurde, wird bei den Quantenkaskadenlasern eine "Sandwich-Struktur" eingesetzt: dünnste, nur wenige Atomlagen umfassende Schichten aus Gallium- und Aluminium-Arsenid.
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Licht mehrerer Wellenlängen
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Der Terahertz-Quantenkaskadenlaser, aufgenommen mit einem Rasterelektronmikroskop
Zwischen diesen Schichten sind Elektronen (eigentlich ihre Wellenfunktion) eingesperrt. Sie schwingen wie Gitarresaiten, wenn man sie anregt, und emittieren dabei Laserlicht. Und so wie die Saiten ihre Schwingungsfrequenz ändern, wenn man sie verkürzt oder verlängert, ändert sich auch die Wellenlänge des emittierten Lichts, wenn man die Dicke der Schichten ändert.
"Man kann also nur durch Änderung des Quantendesigns die Wellenlänge des Lichts beeinflussen", so Unterrainer. Emittiert werden kann so - je nach Schichtstärke - Laserlicht mit einer Wellenlänge von Infrarot bis fernes Infrarot (drei bis 300 Mikrometer), wobei Wellenlängen von 100 bis 300 Mikrometer als Terahertz-Strahlung gelten.
Verpackt man mehrere solcher Schicht-Strukturen auf einem Chip, kann ein Laser Licht mehrerer Wellenlängen aussenden - im Unterschied zu herkömmlichen Lasern, die nur eine Wellenlänge emittieren können.
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Anwendungen
Praktisch angewendet kann die Technik bei bildgebenden Verfahren werden, etwa in der medizinischen Diagnostik, aber auch bei der Detektion gefährlicher Substanzen und zur Prüfung von Materialien. |
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Quantenkaskadenlaser (TU München) |
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Abstrahlung eines neuen Photons |
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Bei der Arbeit an der Verbesserung dieser Quantenkaskadenlaser konnten die Wissenschaftler ihre Beobachtungen machen. Sie generierten aus extrem kurzen Laserpulsen ebenso kurze Terahertzpulse und schickten diese in den Quantenkaskadenlaser.
Die Beobachtung des zeitlichen Verlaufes dieser sogenannten stimulierten Emission liefert laut den Forschern "einen beeindruckenden Einblick in die Quantenwelt". So erzeugt ein Photon nicht einfach "im Vorbeiflug" ein weiteres, stimuliertes Photon.
Die einfallenden Photonen wechselwirken vielmehr intensiv mit den Elektronen in der Quantenstruktur und verursachen eine Überlagerung der elektronischen Wellenfunktionen - eine Überlagerung, die ähnlich einer klassischen Dipolantenne oszilliert und dabei ein neues Lichtteilchen abstrahlt.
Dieser theoretisch seit langem beschriebene Geburtsprozess eines Photons konnte nun erstmals experimentell mitverfolgt werden.
[science.ORF.at/APA, 10.10.07]
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Mehr zu dem Thema in science.ORF.at:
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01.01.2010 |
