Wiener Physiker nehmen Zufallslasern den "Zufall"

15. Juli 2013, 12:43
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Abstrahlverhalten der besonderen Materialien wird beobachtet und mit Computersimulation analysiert

Werden spezielle winzige Körnchen mit Licht bestrahlt, dann strahlen sie wiederum Laserlicht unkontrolliert in verschiedene Richtungen ab. Wissenschafter der Technischen Universität (TU) Wien können nun mittels Computersimulationen das Strahlverhalten solcher als "Zufallslaser" fungierender Strukturen so analysieren, dass sie beliebig steuerbar werden. Um ihnen den Zufall zu nehmen, muss allerdings jedes einzelne der jeweils einzigartig ungeordneten Materialien genau untersucht werden, wie die Forscher im Fachjournal "Physical Review Letters" darlegen.

"Er besteht aus einem körnigen Material, in dem das Licht immer wieder abgelenkt und auf komplizierte Bahnen gezwungen wird"

In gewöhnlichen Lasern wird Licht zwischen zwei Spiegeln hin und her reflektiert. So wird das Licht von den Atomen des Lasers immer weiter verstärkt, bis ein Laserstrahl entsteht und aus dem Laser austritt. Ein Zufallslaser kommt hingegen ohne Spiegel aus. "Er besteht aus einem körnigen Material, in dem das Licht immer wieder abgelenkt und auf komplizierte Bahnen gezwungen wird", so Stefan Rotter vom Institut für Theoretische Physik der TU am Montag, in einer Aussendung. Entlang dieser Bahnen wird das Licht verstärkt. Wo es schließlich aus dem Laser austritt, hängt also von der zufälligen inneren Struktur ab.

Jeder Laser funktioniert nach dem Prinzip des "optischen Pumpens". Dabei wird die Energie zur Verstärkung des Laserstrahls in Form von Licht, das von außen kommt, zugeführt. Aus diesem quasi "eingepumpten" Licht wird dann im Laser geordnetes Laserlicht, in dem die Lichtteilchen exakt im gleichen Takt schwingen.

Grundidee

Wird ein Zufallslaser gleichförmig gepumpt – also die scheibenförmige Struktur einfach von oben angestrahlt – strahlt er sein Laserlicht in alle Richtungen aus. "Unsere Grundidee ist, den Zufallslaser nicht gleichförmig zu pumpen, sondern ihn mit einem ganz bestimmten Lichtmuster zu beleuchten, das dann genau die Laserstrahlung hervorruft, die wir uns wünschen", so Rotter. Durch genau abgestimmte Beleuchtung können dann verschiedene Regionen des Materials in unterschiedlichem Maß zur Lichtverstärkung angeregt werden.

Mit Computersimulationen suchen die Forscher nach dem richtigen Bestrahlungsprofil: "Man beginnt mit einem zufällig gewählten Bestrahlungsmuster und beobachtet, welches Laserlicht man dadurch bekommt. Dann passt man gezielt, Schritt für Schritt, dieses Muster an, bis der Laser sein Licht genau in die gewünschte Richtung abstrahlt", erklärt Rotter.

Da jeder Zufallslaser eine einzigartige Struktur aufweist, muss dieser Optimierungsprozess auch für jedes einzelne Exemplar durchgeführt werden. Kennen die Physiker aber die Eigenheiten der körnigen Materialien, dann ließe sich der Strahl auch kontrollieren. Dies würde einen großen Schritt in Richtung Anwendung für diese exotischen Lichtquellen bedeuten, heißt es seitens der TU. In Kooperation mit einer Forschungsgruppe aus Paris sollen die Ergebnisse der Computersimulationen nun experimentell überprüft werden. (APA, 15.7. 2013)

  • Zufallslaser werden durch einen Lichtstrahl von oben mit Energie versorgt. Zufällige Unregelmäßigkeiten im Inneren (gelbe Punkte) sorgen dafür, dass das Laserlicht in ganz unterschiedliche Richtungen ausgestrahlt wird.
    foto: tu-wien

    Zufallslaser werden durch einen Lichtstrahl von oben mit Energie versorgt. Zufällige Unregelmäßigkeiten im Inneren (gelbe Punkte) sorgen dafür, dass das Laserlicht in ganz unterschiedliche Richtungen ausgestrahlt wird.

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