Aufgeweichtes Spektrum

News: Aufgeweichtes Spektrum

Anders als ein herkömmlicher Laser kommt ein so genannter Random-Laser völlig ohne verspiegelte Flächen aus. Er besteht aus einem Material, in dem das Licht lange genug umherirrt, um Laserlicht zu erzeugen. Nun haben Forscher einen Random-Laser hergestellt, dessen abgestrahltes Spektrum sich in Abhängigkeit der Temperatur ändert.

Thorsten Krome

Jeder Laser besteht im Grunde aus drei Komponenten: einem aktiven Lasermedium, einem Pumpmechanismus und einem Laserresonator – der so genannten Kavität. Das Medium legt im Prinzip die Farbe des Lasers fest. Denn je nach Material werden Elektronen auf ein unterschiedlich hohes Energie-Niveau angehoben. Wenn sie anschließend auf das Grundniveau zurückfallen, wird Licht emittiert, wobei die "Fallhöhe" die Farbe bestimmt.

Der Pumpmechanismus sorgt dafür, dass stets genug Elektronen angeregt sind, sich also im hohen Energieniveau befinden. Er kann beispielsweise elektrisch oder optisch mit einer anderen Lichtquelle erfolgen.

Der Laserresonator hält schließlich den Großteil der emittierten Photonen im Material fest, damit sie das angeregte System zur Emission weiterer Photonen stimulieren – ein optischer Lawineneffekt also. Um eine möglichst hohe Lichtausbeute zu erzielen, verstärkt die Kavität außerdem ganz bestimmte Wellenlängen, nämlich genau diejenigen, die im Resonator stehende Wellen ausbilden.

Während normalerweise zwei gegenüberstehende Spiegel als Resonator dienen, nutzen Wissenschaftler beim Random-Laser ein diffus streuendes Material, welches das Licht gefangen hält. Je länger das gelingt, um so größer ist die Lichtausbeute des Lasers. Da jedoch die Streuzentren unterschiedlich weit auseinander liegen, also "zufällig" verteilt sind, werden auch ganz unterschiedliche Wellenlängen verstärkt. Das Spektrum eines Random-Lasers ist demzufolge im Vergleich zu normalen Lasern verbreitert.

Diederik Wiersma vom European Laboratory for Nonlinear Spectroscopy in Florenz und sein Kollege Stefano Cavalieri von der Università di Firenze verwendeten nun als Random-Laser ein Glaspulver, das zusammen mit einem Laserfarbstoff in einem Flüssigkristall verteilt war. Die feinen Glasteilchen sorgten dafür, dass das Licht immer wieder im Material gestreut wurde, dadurch weitere Photonen aus dem optisch angeregten Farbstoff freisetzte und so die Laseremission in Gang hielt. Dabei musste der Kristall nicht größer als einige Dutzend Mikrometer sein, um effizient Laserlicht zu produzieren.

Da sich die langgestreckten Moleküle in einem Flüssigkristall abhängig von der Temperatur umorientieren, ließ sich über sie einstellen, wie lange die Photonen im Durchschnitt im Material verweilten. Wie sich zeigte, veränderte das wiederum das Spektrum des emittierten Lichts. Denn bei 35 Grad Celsius emittierte das Material intensives Laserlicht in einem recht scharfen Wellenlängenbereich um 610 Nanometer. Je stärker die Wissenschaftler das Material erwärmten, um so breiter wurde dieses Spektrum – desto weißer also, wobei die Lichtintensität abnahm.

Bei einer Temperatur von 42 Grad Celsius fiel dann die Lichtintensität rapide, und das Spektrum wurde ganz flach und breit. Der Grund dafür ist, dass bei dieser Temperatur ein so genannter Phasenübergang im Flüssigkristall stattfindet, er also eine andere Struktur ausbildet. Das bewirkt offenbar auch, dass das Material nicht mehr genug emittiertes Licht speichern kann, um die stimulierte Emission des Lasers aufrecht zu halten. Also wird nur noch normales Licht mit einem breiten Spektrum emittiert, aber kein Laserlicht mehr.

Diese Eigenschaft des Random-Lasers von Wiersma und Cavalieri könnte man in Zukunft vielleicht dazu nutzen, Temperaturen über größere Entfernungen zu messen. Aber auch in der Optoelektronik wäre so ein Laser mit einstellbarem Wellenlängenprofil von Interesse.