Aktuelles

Chaotische Strahlung des Zweiphotonenlasers

Photonenpaare durch stimulierte Emission / Prozeß von außen angeregt

Von Rainer Scharf

Graphik AIP
(Zum Vergrößern Bild anklicken!)
 

Vierzig Jahre nach seiner Erfindung ist der Laser zum Alltagsgegenstand geworden. Man findet ihn in CD-Spielern ebenso wie in Registrierkassen. Das schnelle Surfen im Internet wäre ohne die Datenübertragung mit Laserlicht kaum möglich. Und in vielen Forschungslabors ist der Laser inzwischen ein unentbehrliches Werkzeug. Alle heutzutage benutzten Laser erzeugen ihr brillantes, stark gebündeltes Licht auf dieselbe Weise, durch stimulierte Abstrahlung einzelner Photonen. Doch jetzt haben Wissenschaftler in den Vereinigten Staaten einen Zweiphotonenlaser gebaut, der die Lichtteilchen paarweise abstrahlt und dabei ein ungewöhnliches Verhalten zeigt.

Um ihren Zweiphotonenlaser zum Leuchten zu bringen, mußten Daniel Gauthier und seine Kollegen von der Duke University in North Carolina eine Schwierigkeit überwinden, die bei anderen Lasern nicht auftritt ("Physical Review Letters", Bd. 86, S. 4512). In einem herkömmlichen Laser werden Atome, die zwischen zwei Spiegeln eingeschlossen sind, durch normales Licht in einen angeregten Zustand gebracht. Einige der angeregten Atome senden ohne äußeren Anlaß jeweils ein Photon einer bestimmten Farbe aus. Man spricht in diesem Zusammenhang von spontaner Emission. Trifft eines der Photonen auf ein angeregtes Atom, so kann es dieses zur Abstrahlung eines weiteren Photons veranlassen, das mit dem auslösenden Photon in Farbe und Bewegungsrichtung übereinstimmt. Da die Photonen zwischen den Spiegeln hin und her laufen, entsteht eine Lawine von völlig gleichartigen Photonen. Schließlich entweichen die Photonen durch einen der beiden Spiegel, der teildurchlässig ist, und ein Laserstrahl wird sichtbar.

Auch beim Zweiphotonenlaser müssen die Atome zunächst angeregt werden. Dazu ließen die Wissenschaftler einen Strahl von Kaliumatomen zwischen zwei einander gegenüberstehenden Spiegeln hindurchfliegen. Die Atome wurden durch ein schwaches Magnetfeld ausgerichtet. Anschließend traf sie ein Laserstrahl, der sie in den gewünschten Anregungszustand brachte. Jedes der angeregten Atome konnte mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit spontan zwei gleichartige Photonen abgeben und wieder in seinen Grundzustand zurückkehren. Es konnte aber auch, wie beim herkömmlichen Laser, durch Photonen zu stimulierter Emission veranlaßt werden. Dazu mußten allerdings zwei Photonen gleichzeitig das Atom treffen. Dann strahlte es ein Photonenpaar ab, so daß aus zwei Photonen insgesamt vier wurden. Doch anfangs war die Zahl der Photonen zwischen den Spiegeln noch sehr klein, und die Wahrscheinlichkeit, daß ein Atom von zwei Photonen gleichzeitig getroffen wurde, war verschwindend gering. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Laser begann der Zweiphotonenlaser deshalb nicht von selbst zu strahlen.

Die Forscher fanden aber eine Lösung, wie sie die stimulierte Emission in Gang setzen konnten. Sie strahlten einen kurzen Laserpuls bei geeigneter Frequenz durch den teildurchlässigen Spiegel in den Hohlraum zwischen den beiden Spiegeln ein. Der Laserpuls erhöhte die Zahl der Photonen im Hohlraum so stark, daß die stimulierte Emission umgehend einsetzte. Dazu reichten etwa 33000 Photonen aus.

Das Licht des Zweiphotonenlasers zeigte einige Besonderheiten. Wenn die Kaliumatome nur einem schwachen Magnetfeld ausgesetzt waren, dann lag die Schwingungs- oder Polarisationsrichtung des Laserlichts nicht fest, sondern führte schnelle periodische Oszillationen aus. Für stärkere Magnetfelder änderte sich die Polarisationsrichtung in komplizierter Weise. Die Forscher vermuten, daß die Polarisation des Laserlichts ihre Richtung chaotisch wechselte.

Die Wissenschaftler hoffen, mit ihrem Laser Photonenpaare herstellen zu können, deren Schwingungsrichtungen miteinander verschränkt sind. Solche Photonenpaare werden zum Beispiel zur quantenmechanischen Verschlüsselung von Nachrichten benötigt. Ein Laser, der verschränkte Photonen in großer Zahl erzeugen kann, würde der Quantenkryptographie ungeahnte Möglichkeiten eröffnen. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 11.07.2001, Nr. 158 / Seite N3

>>> Zur Startseite