Mehr als 50 Jahre nach Erfindung des Lasers haben amerikanische Physiker nun den ersten „Anti-Laser“ gebaut. Das kleine Siliziummodul schluckt das gesamte Laserlicht zweier einfallender Strahlen und nutzt dabei winzige Phasenunterschiede der Laserstrahlen als Schaltimpuls. Wie die Forscher in „Science“ berichten, könnte dieser kohärente perfekte Absorber (CPA) zukünftig in optischen Schaltern, Detektoren und anderen Komponenten optischer Computer eingesetzt werden.
Konventionelle Laser gibt es seit den 1960er Jahren. Sie nutzen in der Regel einen Halbleiter wie Gallium-Arsenid als „Quelle“ um einen fokussierten Strahl von kohärentem Licht zu erzeugen – einen Strahl aus Lichtwellen, die alle die gleiche Frequenz und abgestufte Amplituden aufweisen. Als der Physiker A. Douglas Stone von der amerikanischen Yale Universität die Funktionsweise eines solchen Lasers einem Freund erklärte, kam er auf eine ausgefallenen Idee: Was wäre, wenn es einen Laser gäbe, der genau umgekehrt arbeitet: der Licht bestimmter Frequenzen schluckt statt zu emittieren?
Ein solcher „Anti-Laser” würde das Licht eines herkömmlichen Lasers auslöschen und könnte beispielsweise in optischen Schaltern, Detektoren und anderen Komponenten zukünftiger optischer Computer eingesetzt werden. „Das Ganze entwickelte sich von einem Gedankenexperiment zur Frage, ob man einen solchen Antilaser tatsächlich bauen könnte“, erklärt Stone. „Nach einiger Recherche stellten wir fest, dass ein paar Physiker schon vorher in Büchern und wissenschaftlichen Artikeln auf das Konzept hingewiesen hatten, aber dass niemand vorher die Idee auch entwickelt hatte.“
Siliziummodul schluckt Laserlicht
Jetzt ist ein solcher Antilaser dem Team von Stone und seinen Kollegen Hui Cao und Wenjie Wan erstmals gelungen. Der so genannte kohärente perfekte Absorber (CPA) besteht aus zwei Laserstrahlen, die auf einander genau entgegengesetzte Seiten eines speziell entwickelten Silizium-Wafers ausgerichtet werden. Die beiden Strahlen müssen dabei exakt die gleiche Intensität besitzen. Im Experiment veränderten die Forscher dann die relativen Phasen der beiden Strahlen und maßen dabei ständig, wie viel Licht noch von dem Wafer wieder abgestrahlt wurde.
Phasenunterschiede als Schaltimpuls
Bei einer bestimmte Einstellung gelang es dann: Die interne Geometrie des Siliziumwafers wirkte wie eine Falle für die Laserstrahlen. Sie leitete die Strahlen so lange hin und her, bis sie schließlich komplett absorbiert und in Wärme umgewandelt wurden. Durch nur winzige Veränderungen in den Phasen der Laser kann der CPA damit wie ein Schalter von maximaler Lichtleitung auf komplette Absorption umschalten. Zwar existierten zuvor bereits Laserfallen, die einen Laserstrahl abfangen können, im Gegensatz zu ihnen arbeitet diese Doppelfalle jedoch ähnlich wie ein Interferometer. Es registriert wie sie winzige Laufzeitunterschiede der einfallenden Strahlen, nutzt sie aber als Schaltimpuls.
Auch für andere Wellenlängen und in kleinerem Format
Zwar erreichten die Physiker im Experiment nur eine Absorption von 99,4 Prozent statt der theoretisch machbaren 99,999 Prozent, aber der Prototyp ist ausbaufähig: „Der CPA, den wir gebaut haben, ist erstmals nur ein ‚Proof of concept‘“, erklärt Stone. „Ich bin zuversichtlich, dass wir auch das theoretische Limit erreichen können, wenn wir ausgefeiltere CPAs bauen.“ Noch ist der Prototyp einen Zentimeter groß, doch auch hier haben die Physiker in Simulationen bereits ermittelt, dass er sich auf sechs Mikrometer schrumpfen lässt. Auch der Wellenlängenbereich soll noch ausgeweitet werden. Bisher funktioniert der Absorber nur für infrarote Wellenlängen, Modelle für sichtbares Licht und die spezifischen Wellenlängen, die in der Glasfaser-Kommunikation verwendet werden, sollen folgen. (Science, 2011; DOI: 10.1126/science.1200735)
(Yale University, 21.02.2011 – NPO)
