Neuer Prozess verstärkt Laserpulse

  • 29. September 2017

Ein bislang unbekanntes Verhalten von Photonen erweitert das Verständnis von Licht-Materie-Wechsel­wirkungen.

Einem inter­nationalen Forschungsteam von Physikern der Universität Kassel und der Univer­sität Århus ist es gelungen, ultra­kurze Laser­pulse in einem zuvor laser­angeregten Glas zu verstärken. Das ist über­raschend, weil ein bislang unbekanntes Verhalten von Photonen zugrunde liegt, und erweitert das Ver­ständnis von Licht-Materie-Wechsel­wirkung. Dabei ist diese Verstärkung, ähnlich wie in einem klas­sischen Laser, kohärent und gerichtet. Der LADIE-Effekt – Licht­verstärkung in angeregten Dielek­trika – basiert auf einem mehr­stufigen Prozess, den die Physiker mithilfe von theo­retischen Model­lierungen verstehen und repro­duzieren konnten.

Abb.: Prinzip des neuen Effekts zur Lichtverstärkung, untersucht mit einem Pump-Probe-Experiment. (Bild: U. Kassel)

Abb.: Prinzip des neuen Effekts zur Lichtverstärkung, untersucht mit einem Pump-Probe-Experiment. (Bild: U. Kassel)

Wird ein trans­parentes, dielek­trisches Material wie Wasser oder Glas mit sicht­barem oder infra­rotem Licht bestrahlt, so tritt das Licht ohne Absorption hindurch. Dies ändert sich jedoch abrupt, wenn ultra­kurze Laserpulse im Femto­sekunden-Bereich verwendet werden: Durch die extrem hohen Inten­sitäten, die diese kurzen Laser­pulse haben, können verschiedene Wechsel­wirkungs­mechanismen einen Übergang vom trans­parenten in einen metal­lischen Zustand bewirken. Hierbei spielen beweg­liche Elek­tronen, ähnlich wie in einem Metall, eine signi­fikante Rolle in der Beein­flussung der optischen Eigen­schaften.

Dement­sprechend haben sich Pump-Probe-Experi­mente mit zwei zeitlich verzögerten Laser­pulsen als eine sehr nützliche Methode bewährt, um die Wechsel­wirkung zwischen trans­parenten Materialien und Laser­pulsen zu untersuchen. In der Tat demonstrieren viele dieser Experi­mente, dass kurz nach der Laser­anregung des Materials die Absorption und Reflektion durch die Erzeugung sehr vieler freier Elektronen zunimmt und so dem dielek­trischen Material kurz­lebige metal­lische Eigen­schaften verleiht.

Forscher um Thomas Baumert, in Koopera­tion mit Physikern der Universität Århus in Dänemark, haben kürzlich ein ähn­liches Experi­ment mit laser-ange­regtem Saphir­glas durch­geführt. Zur großen Über­raschung wird die Absorption eines violetten Abfrage­pulses unter bestimmten Umständen durch kohärente Verstärkung ersetzt. Die Physiker machten als Ursache den bisher unbeo­bachteten LADIE-Mecha­nismus aus. Während bei üblicher Licht­verstärkung einzelne Photonen verdoppelt werden, so deuten die Unter­suchungen darauf hin, dass LADIE-Verstärkung nur auf mehrere Photonen gleich­zeitig wirkt, also zum Beispiel aus zwei Photonen vier erzeugt.

„Noch ist es zu früh abzusehen, welche Auswir­kungen oder Anwen­dungen dieser Effekt haben könnte“, so Thomas Winkler, der an den Experi­menten maß­geblich betei­ligt war. „Aber unsere Erkennt­nisse vertiefen das Verständnis der Licht-Materie-Wechsel­wirkung. Und auch die Entdeckung des Lasers Mitte der 1960er Jahre durch Theodore Maiman stellte eine ungewöhn­liche Entdeckung dar und wurde zu Beginn als nicht mehr als ein weiterer spannender Aspekt der Quanten­physik angesehen. Heute, fast 50 Jahre später, gibt es kaum ein Produkt und kaum einen tech­nischen Prozess, in dem Laser­technik nicht in irgend­einem Aspekt vertreten ist.“

U. Kassel / JOL

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