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"Anti-Laser" : Die perfekte Lichtfalle

Die Illustration zeigt zwei gegeneinander gerichtete Laserstrahlen, die auf den perfekten kohärenten Absorber aus Silizium treffen. Bild: Foto Science/AAAS

In dieser Röhre verschwinden die Photonen: Forscher haben eine Apparatur entwickelt, in der einfallende kohärente Strahlung fast vollständig absorbiert wird. Ein solcher „Anti-Laser“ könnte sich als optischer Schalter oder auch Sensor verwenden lassen.

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          Vor einem Jahr hatten amerikanische Forscher eine recht ungewöhnliche Idee. Douglas Stone und seine Kollegen von der Yale University in New Haven (Connecticut) ersannen eine Apparatur, die ähnlich wie ein Laser funktioniert, nur dass bei ihr alle Prozesse – von der Erzeugung der Photonen über stimulierte Emission bis hin zur Verstärkung der Lichtwellen – umgekehrt ablaufen sollten. Einfallende kohärente Strahlung einer ganz bestimmten Wellenlänge würde nicht erzeugt, sondern zu hundert Prozent absorbiert. Die Energie der Photonen würde dabei vollständig in elektrische Energie oder Wärmeenergie umgewandelt werden.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Von der ursprünglichen Strahlung wäre dann keinerlei Restleuchten mehr nachweisbar. Weil man den Effekt wie auf Kopfdruck auslösen könnte, ließen sich damit Schalter für optische Schaltkreise, Filter oder empfindliche Lichtsensoren bauen, schwärmen die Forscher. „Anti-Laser“, so taufte Stone seine hypothetische Apparatur, ohne jedoch genau zu wissen, wie sie konkret aussehen sollte. Jetzt haben Experimentalphysiker von der Yale University Stones Idee auf verblüffend einfache Art verwirklicht.

          Der perfekte Absorber

          Nach der Vorstellung von Stone sollte das Herzstück des Anti-Lasers ein sogenannter perfekter kohärenter Absorber sein. Dieses Element wäre das Gegenstück zum Verstärker-Medium in einem Laser, da es kohärente monochromatische Strahlung nicht verstärkt, sondern vollständig verschluckt. Dass man einen herkömmlichen Laser nur schwer würde umbauen können, war den Wissenschaftler von Anfang an klar. Ihre Berechnungen hatten jedoch eine recht einfache Lösung geliefert. Danach sollte der Halbleiter Silizium sich unter bestimmten Bedingungen wie ein perfekter kohärenter Absorber verhalten – vorausgesetzt, er würde entsprechend dimensioniert. Stones Forscherkollege Hui Cao hat mit seinen Mitarbeitern nun einen Anti-Laser präsentiert, dessen zentrales Element eine 110 Mikrometer dicke und einen Zentimeter große Scheibe aus Silizium bildet.

          In ihrem Experiment haben die Forscher den Wafer in einer optischen Bank fixiert und von beiden Seiten mit zwei identische infraroten Laserstrahlen beleuchtet. Da diese derselben Lichtquelle entstammten – einem kontinuierlich strahlenden Titan-Saphir-Laser – konnte man leicht sicherstellen, dass die Phasen, Wellenlängen und Intensitäten der beiden Strahlen exakt übereinstimmten, als sie auf den Siliziumwafer trafen.

          Gebeutelt im Resonator

          Die Siliziumscheibe war so dimensioniert worden, dass bei einer bestimmten Wellenlänge die Photonen von beiden Seiten in den Halbleiter eindrangen und darin verschwanden. Wie Cao und seine Kollegen in der Zeitschrift „Science“ (Bd. 331, S. 889) berichten, wurden die Lichtteilchen an den beiden gegenüberliegenden Grenzflächen des Wafers wie an den Spiegeln eines Resonators immer wieder hin und her geworfen. Die Photonen konnten die Siliziumscheibe nicht mehr verlassen und löschten sich allmählich gegenseitig aus. Die Energie der Lichtteilchen wurde vom Material fast vollständig absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt. Die Siliziumatome führen dadurch stärkere Schwingungen im Kristallgitter aus.

          Mit einem lichtempfindlichen Detektor wiesen die Forscher nach, dass vom einfallenden Laserlicht der überwiegende Teil – 94,6 Prozent – absorbiert wurde. Nur ein geringer Teil wurde an der Halbleiteroberfläche gestreut. Waren die beiden Laserstrahlen jedoch nicht exakt aufeinander abgestimmt, stieg der Anteil der reflektierten Strahlung sprunghaft an. Die Intensität entsprach dann dem normalen Absorptions- und Streuverhalten der Siliziumscheibe. Dass der Siliziumwafer nur bei einer bestimmten Wellenlänge die Strahlung absorbiert, unterscheidet ihn von den besten bekannten Absorbermaterialien, die meist nur einen großen Spektralbereich verschlucken.

          Komplette Absorption als Ziel

          Das wellenspezifische Absorptionsverhalten des Anti-Lasers ließe sich überall dort nutzen, wo man Datenpakete mit Lichtstrahlen überträgt und optische Schalter benötigt. Auch eine Anwendung als empfindlicher Lichtsensor wäre denkbar. Ein schwaches Lichtsignal würde in einen messbaren elektrischen Strom umgewandelt oder könnte zu einer deutlichen Temperaturänderung führen, die sich als thermisches Signal nachweisen ließ. Doch bis soweit ist, bedarf es entscheidender Verbesserungen.

          Die Forschergruppe um Cao streben zunächst eine maximale Absorption von hundert Prozent an, was sich ihrer Ansicht nach mit besseren Absorbermaterialien erreichen lässt. Zudem ließe sich der Anti-Laser deutlich verkleinern. Eine sechs Mikrometer große Siliziumscheibe sollte einfallendes Laserlicht ähnlich gut verschlucken, wie ein Zentimeter großer Wafer. An Ideen scheint es den Forschern aus Connecticut nicht zu mangeln. Tatsächlich erinnert vieles an die frühen sechziger Jahre, als der Laser gerade das Licht der Welt erblickt hatte. Damals wusste man auch noch nicht, wozu die Lichtquelle eigentlich zu gebrauchen ist.

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