Paradoxes Verhalten in Lasern vorhergesagt

Zwei Lampen sind heller als eine. Das klingt eigentlich völlig selbstverständlich. Dass das bei Lasern aber nicht unbedingt der Fall sein muss, erkannte nun ein internationales Forschungsteam, angeführt von der TU Wien.

Wenn ein Laser leuchtet und daneben noch ein zweiter Laser hochgefahren wird, können sich beide durch komplizierte Wechselwirkungen gegenseitig so stark stören, dass schließlich gar kein Laserlicht mehr abgestrahlt wird. Für Technologien im Grenzbereich zwischen Elektronik und Photonik könnte das von großer Bedeutung sein. Publiziert wurde das Ergebnis nun im Fachjournal „Physical Review Letters“.

Wenn das Einschalten zum Ausschalten führt

„Denken Sie an eine leuchtende Glühbirne, zu der man eine zweite dazu gibt und mit einem Dimmer langsam einschaltet: Das Zimmer wird immer heller. Bei Lasern kann man sich darauf nicht verlassen“, sagt Matthias Liertzer. Er untersuchte am Institut für Theoretische Physik der TU Wien gemeinsam mit Professor Stefan Rotter das Verhalten von gekoppelten Lasern mit Hilfe von Computersimulationen. Unterstützt wurden sie bei dem Projekt von Kollegen der Universitäten Princeton und Yale (USA) sowie der ETH Zürich (CH).
Um einen Laser zum Leuchten zu bringen, muss man ihn „pumpen“ – ihm also in Form von Licht oder elektrischem Strom Energie zuführen. Pumpt man nur einen von zwei benachbarten Mikro-Lasern, dann leuchtet nur dieser. Wenn nun auch der zweite Laser gepumpt wird, könnte man erwarten, dass diese gesteigerte Energiezufuhr auch mehr Lichtausbeute mit sich bringt. Doch in diesem Fall kann immer stärkeres Pumpen des zweiten Lasers die Gesamt-Strahlungsausbeute sogar reduzieren, bis schließlich keiner der beiden Laser mehr leuchtet. „Als wir gesehen haben, dass die beiden Laser sich durch gegenseitige Kopplung abschalten können, war uns klar: Entweder ist das ein Rechenfehler oder ein spektakuläres Ergebnis“, sagt Stefan Rotter. Mittlerweile wurde der Effekt in unabhängigen Rechnungen der amerikanischen Mitautoren bestätigt.

Zwischen Physik, Mathematik und Elektronik

Licht besteht aus Wellen, die sich überlagern und gegenseitig auslöschen können. Das Zusammenspiel der beiden Laser ist aber noch etwas komplizierter. „Es geht nicht allein um die Überlagerung von Lichtwellen – sondern um das Wechselspiel zwischen Überlagerung und Verstärkung des Lichts, das bei Lasern zu scheinbar paradoxen Effekten führen kann“, betont Matthias Liertzer. Methoden wie sie an der Fakultät für Mathematik der TU-Wien entwickelt wurden waren nötig, um die komplizierten nichtlinearen Gleichungen zu lösen, mit denen dieses Problem beschrieben wird. Der physikalische Effekt kann nur verstanden werden, wenn man tief in die Mathematik eindringt: „Das Phänomen beruht auf dem, was man in der Mathematik einen Ausnahmepunkt nennt“, erklärt Stefan Rotter. „Ausnahmepunkte“ sind spezielle Schnittpunkte von Flächen in komplexen Räumen. „Treten nun solche Ausnahmepunkte auch in unseren Lasergleichungen auf, kann dies zu einem Abschalten des Lasers führen. Dadurch können wir eine relativ abstrakte mathematische Struktur mit einem messbaren Phänomen in Verbindung bringen.“ sagt Rotter.
Licht und Mikroelektronik

An der Fakultät für Elektrotechnik der TU Wien werden derzeit Experimente mit Mikrolasern durchgeführt, die diese spektakulären Vorhersagen im Labor reproduzieren sollen. Interessant sind solche Laser-Effekte vor allem deshalb, weil sie neue Ideen für das Zusammenwirken von Mikroelektronik und Lasertechnologie aufzeigen. In heutigen Computern wird Information hauptsächlich über elektrische Signale übertragen – die Einbeziehung von Laserlicht könnte hier völlig neue Möglichkeiten eröffnen.

Originalpublikation http://prl.aps.org/abstract/PRL/v108/i17/e173901
in der frei verfügbaren Version auf arxiv.org: http://arxiv.org/abs/1109.0454

Bilderdownload: http://www.tuwien.ac.at/dle/pr/aktuelles/downloads/2012/paradox/
Rückfragehinweise:

Dipl.-Ing. Matthias Liertzer
Institut für Theoretische Physik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8-10, 1040 Wien
T.: +43-664-1121346
matthias@liertzer.at

Prof. Stefan Rotter
Institut für Theoretische Physik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8-10, 1040 Wien
T: +43-1-58801-13618
stefan.rotter@tuwien.ac.at

Aussender:
Dr. Florian Aigner
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Technische Universität Wien
Operngasse 11, 1040 Wien
T: +43-1-58801-41027
florian.aigner@tuwien.ac.at