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Miniaturisierte Laser können Quantenlicht emittieren

09.07.2009
Physiker der TU Dortmund entwickeln Detektor, der einzelne Photonen mit Billionstel Sekunden Zeitauflösung detektieren kann

Seit mehr als 100 Jahren ist bekannt, dass Licht in kleinen Paketen, den so genannten Photonen, daher kommt. Die Entdeckung dieser Quantisierung des Lichtfelds hat ein neues Gebiet der Physik eröffnet, die Quantenoptik.

Einer Ihrer Pioniere, der Nobelpreisträger Roy Glauber, schlug in den 60er Jahren vor, Lichtquellen anhand der zeitlichen Abfolge der von ihnen emittierten Photonen zu charakterisieren. Doch die Umsetzung dieser Idee war bislang stark eingeschränkt.

So spielt sich in modernen Lasern die Lichtemission auf einer Zeitskala bis hinab zu einer Billionstel Sekunde ab, 1000-mal schneller als bisher detektiert werden konnte. Einer Arbeitsgruppe der Fakultät Physik der TU Dortmund unter der Leitung von Prof. Manfred Bayer ist jetzt zusammen mit Kollegen aus Bremen und Würzburg ein entscheidender Durchbruch gelungen: In mehrjähriger Arbeit wurde der weltweit erste Detektor entwickelt, der die hierfür erforderliche Zeitauflösung aufweist.

Zunächst konnte mit diesem Detektor gezeigt werden, dass Licht die von Roy Glauber theoretisch vorhergesagten statistischen Eigenschaften aufweist. Dazu wurde eine gewöhnliche Laserstruktur zur Lichtemission angeregt. Erfolgt diese Anregung schwach, so emittiert die Struktur noch klassisches Licht. Regt man sie dagegen stärker an, so geht der Laser über seine Schwelle, d.h. er emittiert dann Laserlicht. Dies konnte in der zeitlichen Abfolge der Photonen eindeutig nachgewiesen werden.

Bei Untersuchungen von miniaturisierten Lasern kamen die Dortmunder Physikerinnen und Physiker Marc Assmann, Thorsten Berstermann, Franziska Veit und Manfred Bayer jedoch zu überraschenden Ergebnissen.

Eines der Ziele der weltweit intensiven Bemühungen um die Miniaturisierung von Lasern ist die Realisierung eines schwellenfreien Lasers, der Strom vollständig in Laserlicht umwandeln könnte, also ideal energieeffizient wäre. Dem Dortmunder Team standen für Untersuchungszwecke miniaturisierte Laser aus Bremen zu Verfügung, die diesem Ziel sehr nahe kommen und international den Spitzenstandard darstellen.

Sie trieben solche Laser über die Schwelle, und die Messungen mit dem Detektor zeigten, dass die zeitliche Abfolge von zwei Photonen nicht wie erwartet von der klassischen Lichts zu der von Laserlicht übergeht. Vielmehr kommt es bei diesem Übergang zur Emission von Quantenlicht: Die Photonen gehen sich aus dem Weg, d.h. die Wahrscheinlichkeit, zwei Photonen unmittelbar hintereinander anzutreffen, ist reduziert im Vergleich zu großen Versatzzeiten. Beim Laserlicht dagegen ist jede beliebige zeitliche Verzögerung zwischen zwei Photonen gleich wahrscheinlich, während beim klassischen Licht die Photonen bevorzugt zusammen ankommen.

Als die Dortmunder Experimentalphysiker ihre Ergebnisse zum ersten Mal ihren Bremer Kollaborationspartnern, die aufwändige theoretische Modelle für die Beschreibung solcher Laser entwickeln, zeigten, konnten es die Bremer kaum glauben, machten sich jedoch sofort an die Modellierung der experimentellen Daten. Und in der Tat wurden die Ergebnisse durch Modellrechnungen bestätigt. Mehr noch: Es wurden Oszillationen in der Wahrscheinlichkeit, zwei Photonen mit einem bestimmten zeitlichen Versatz zu finden, vorhergesagt, die experimentell voll bestätigt werden konnten. Bestimmte Versatzzeiten sind wahrscheinlicher als andere, zu denen es zu Quantenlichtemission kommt.

Dieses Verhalten kann qualitativ wie folgt verstanden werden: Der Laser kann grob mit dem Raumschiff Enterprise verglichen werden, das zwei Antriebsmodi hat: den normalen Raketenantrieb und den Warp-Antrieb. Der Raketenantrieb entspricht der Emission klassischen Lichts unterhalb der Schwelle, der Warp-Antrieb entspricht dem Laserbetrieb. Will man nun von klassisch auf Warp schalten und gibt dabei nicht genügend Schub, fängt das Triebwerk zu stottern an und die Enterprise hüpft durch die unendlichen Weiten.

Ganz ähnlich sind die Oszillationen, die in der Photonenstatistik der miniaturisierte Laser beobachtet werden: Der Laser springt in seiner Emissionscharakteristik. Erst wenn genügend Schub gegeben wird, ergibt sich ein gleichmäßiger Laserbetrieb.

Diese Arbeiten wurden durch die großzügige Unterstützung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft ermöglicht und wurden in der jüngsten Ausgabe der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Weitere Informationen:
Manfred Bayer
Fakultät Physik
Experimentelle Physik 2
TU Dortmund
D-44221 Dortmund
Germany
Tel: 0231/755-3532
Fax: 0231/755-3674
E-mail: manfred.bayer@tu-dortmund.de

Ole Lünnemann | idw
Weitere Informationen:
http://www.nature.com/nature/journal/v460/n7252/full/nature08126.html

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