Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Vom klassischen Laser zum „Quantenlaser“

29.03.2010
Innsbrucker Physiker erforschen Verhalten von Lasern aus einzelnen Atomen

Einer Forschergruppe um Rainer Blatt und Piet Schmidt an der Universität Innsbruck ist es gelungen, einen Laser mit einem einzelnen Atom zu realisieren, der sowohl die Eigenschaften eines klassischen Lasers zeigt, als auch die quantenmechanische Natur der Atom-Photon-Wechselwirkung. Ihre Ergebnisse präsentieren die Forscher nun in der Fachzeitschrift Nature Physics.

Vor 50 Jahren wurde der erste Laser entwickelt. Heute sind die künstlich gerichteten Lichtstrahlen aus unserem Alltag nicht mehr weg zu denken. Laser sind zentraler Bestandteil einer Vielzahl von Geräten mit Anwendungen in Telekommunikation, Medizin, Haushalt und Forschung. Ein Laser besteht üblicherweise aus einem Verstärkungsmedium, das elektrisch oder optisch gepumpt wird und von einem Spiegelresonator umgeben ist. Das Licht im Resonator wird in Form sogenannter Schwingungsmoden hin- und herreflektiert und dabei in seiner Intensität überhöht und durch das Medium verstärkt.

Eines der markantesten Merkmale eines klassischen Lasers ist der sprunghafte Anstieg der Ausgangsleistung beim Erreichen der sogenannten Schwellpumpleistung, bei der die Verluste bei einem Umlauf des Lichts im Resonator durch die Verstärkung im Medium gerade ausgeglichen werden. Ursache dieses Verhaltens ist ein Selbstverstärkungseffekt der Wechselwirkung des Lichts mit den Atomen: Je mehr Photonen in einer Schwingungsmode bereits vorhanden sind, desto größer ist die Verstärkung des Lichts in dieser Mode. Üblicherweise tritt dieser Effekt bei makroskopischen Lasern mit vielen Atomen und vielen Photonen auf.

Den Innsbrucker Forschern ist es nun gelungen, den Beginn dieses verstärkenden Schwellverhaltens bei dem kleinstmöglichen Grundbaustein eines Lasers nachzuweisen: einem einzelnen Atom, das mit einer einzelnen Mode in einem optischen Resonator wechselwirkt. Dazu wurde ein Calcium-Ion in einer Ionenfalle eingefangen und mit Hilfe von externen Lasern angeregt. Zwei, das Ion umgebende Spiegel formen einen optischen Resonator mit hoher Güte, der die vom Ion emittierten Photonen in einer Mode einfängt und speichert. Das Ion wird durch die externen Laser zyklisch angeregt und fügt der Resonatormode bei jedem Zyklus ein Photon hinzu, was zu einer Verstärkung des Lichts führt.

Bei starker Kopplung des Ions an die Resonatormode verhält sich das System aus Atom und Resonator quantenmechanisch: Es können immer nur einzelne Photonen in den Resonator eingebracht werden. „Damit kann es zu keiner Selbstverstärkung und auch zu keinem Schwellverhalten kommen“, erklärt François Dubin, französischer Postdoc und Erstautor der Veröffentlichung. Dieser „Quantenlaser“ wurde bereits vor einigen Jahren in einem ähnlichen System demonstriert. Clou des Innsbrucker Experiments ist die einstellbare Kopplung des Atoms an der Resonatormode. Durch geeignete Wahl der Parameter des Anregungslasers konnten die Physiker der Universität Innsbruck eine stärkere Anregung erreichen und dadurch mehr Photonen in den Resonator einbringen. Obwohl im Mittel immer noch weniger als ein Photon im Resonator vorhanden war, konnten Selbstverstärkungseffekte in Form eines Schwellverhaltens beobachtet werden. „Ein einzelnes Atom ist ein sehr schwacher Verstärker. Daher ist das Schwellverhalten nicht so stark ausgeprägt wie bei einem klassischen Laser“, erläutert Piet Schmidt die Ergebnisse.

Eine noch stärkere Anregung führt im Gegensatz zum klassischen Laser nicht zu einer höheren Ausgangsleistung, sondern aufgrund quantenmechanischer Interferenzen zum Verlöschen des Lasers. Dies stellt eine fundamentale Einschränkung für Miniaturlaser bestehend aus wenigen Atomen dar. Die Innsbrucker Forscher wollen daher nun den Übergang vom Quantenlaser zum klassischen Laser durch kontrolliertes Hinzufügen von weiteren Atomen genauer untersuchen.

Unterstützt wurden die Arbeiten vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der Europäischen Kommission und der Industriellenvereinigung Tirol.

Bilder: http://www.uibk.ac.at/public-relations/presse/archiv/2010/032801/

Publikation: F. Dubin, C. Russo, H.G. Barros, A. Stute, C. Becher, P.O. Schmidt and R. Blatt, „Quantum to classical transition in a single ion laser“, Nature Physics, published online: 28 March 2010 | doi: 10.1038/NPHYS1627. (http://dx.doi.org/10.1038/NPHYS1627)

Kontakt:
Univ.-Prof. Dr. Piet.Schmidt
QUEST Institut for Experimental Quantum Metrology
Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Bundesallee 100, D-38116 Braunschweig
Tel.: ++49 531 592-4700
Email: Piet.Schmidt@ptb.de
Web: http://www.quantummetrology.de/
Univ.-Prof. Dr. Rainer Blatt
Institut für Experimentalphysik
Universität Innsbruck
Technikerstraße 25, A-6020 Innsbruck
Tel.: ++43 512 507-6350
Email: Rainer.Blatt@uibk.ac.at
Web: http://www.quantumoptics.at
Dr. Christian Flatz
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Universität Innsbruck
Innrain 52, A-6020 Innsbruck
Tel.: ++43 512 507-32022
Mobil: +43 650 5777122
Email: Christian.Flatz@uibk.ac.at
Web: http://www.uibk.ac.at/

Dr. Christian Flatz | Universität Innsbruck
Weitere Informationen:
http://www.uibk.ac.at/
http://www.quantumoptics.at
http://www.quantummetrology.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht VLT macht den präzisesten Test von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie außerhalb der Milchstraße
22.06.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Neue Phänomene im magnetischen Nanokosmos
22.06.2018 | Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend leichte Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Bei Rümpfen oder Tragflächen sind permanent Innovationen in diese Richtung zu beobachten. Um dieses Innovationsfeld auch für Flugzeugräder zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt ein neues EU-Forschungsvorhaben gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 Prozent aufzeigen.

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an...

Im Focus: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

22.06.2018 | Materialwissenschaften

Lernen und gleichzeitig Gutes tun? Baufritz macht‘s möglich!

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

GFOS und skip Institut entwickeln gemeinsam Prototyp für Augmented Reality App für die Produktion

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics