Neuartiges Gerät absorbiert selbst gestreutes Licht einer bestimmten Wellenlänge vollständig Forscher konstruieren Anti-Laser - scinexx | Das Wissensmagazin
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Forscher konstruieren Anti-Laser

Neuartiges Gerät absorbiert selbst gestreutes Licht einer bestimmten Wellenlänge vollständig

Laserlicht
Physiker haben den ersten Anti-Laser gebaut, der sogar gestreutes Licht der Ziel-Welenlänge vollständig absorbiert. © Good Life Studio/ iStock)

Dunkel statt Licht: Forscher haben einen perfekten Absorber für kohärentes Licht konstruiert – einen sogenannten Anti-Laser. Während ein Laser gleichgerichtete Lichtstrahlen aussendet, schluckt der Anti-Laser alles Licht einer bestimmten Wellenlänge gezielt und vollständig. Das Besondere am neuen Gerät: Dies ist der erste Anti-Laser, der auch gestreutes Licht der Zielfrequenz vollständig absorbiert, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature“ berichten.

Es steckt in Dutzenden Alltagsgeräten, strahlt tausende Kilometer weit ohne aufzufächern und kann selbst Stahl schneiden: Laserlicht ist Licht in seiner reinsten Form. Denn ein Laser erzeugt Lichtstrahlen, die parallel und im gleichen Takt schwingen. Dieses kohärente Licht lässt sich daher extrem stark bündeln und zu ultrakurzen, scharf abgegrenzten Pulsen formen. Das ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungen in Technik, Wissenschaft und Medizin.

Perfekte Absorption kohärenter Wellen

Doch das Prinzip eines Lasers lässt sich auch umkehren: Statt einen kohärenten Laserstrahl zu erzeugen, können Anti-Laser das Licht einer bestimmten Wellenlänge gezielt und vollständig absorbieren – jedenfalls theoretisch. „Bisher wurden solche Anti-Laser nur in eindimensionalen Strukturen realisiert, auf die man Licht aus zwei gegenüberliegenden Richtungen lenkte“, erklärt Stefan Rotter von der Technischen Universität Wien. Der erste Anti-Laser dieser Bauart wurde 2011 entwickelt.

Anti-Laser
Experimenteller Aufbau des Anti-Lasers nach dem Zufallsprinzip: Im Inneren eines Wellenleiters befindet sich ein ungeordnetes Medium bestehend aus zufällig positionierten Teflon-Zylindern. © TU Wien

Das Problem dabei: Solche simplen Systeme, bei denen Licht nur aus einer Richtung und säuberlich gebündelt eintrifft, sind im Alltag eher selten. Im täglichen Leben haben wir es überall mit Wellen zu tun, die auf komplizierte Weise gestreut werden – denken Sie etwa an ein Mobilfunksignal, das mehrfach reflektiert wird, bevor es an Ihrem Handy ankommt“, sagt Rotter. Er und sein Team haben daher an einem Anti-Laser getüftelt, der auch in komplexeren Systemen ein perfekter Absorber ist.

Erster Zufalls-Anti-Laser umgesetzt

Mit Erfolg: Die Forscher haben nun den ersten Anti-Laser entwickelt und getestet, der auch das zufällig gestreute Licht einer Zielwellenlänge vollständig absorbieren kann. Der neue Zufalls-Anti-Laser besteht aus einer Mikrowellenkammer mit einer zentralen Absorber-Antenne, umgeben von zufällig angeordneten Zylindern aus Teflon. Diese Zylinder können die Mikrowellen streuen und ein kompliziertes Wellenmuster erzeugen.

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Der Clou dabei: Erst diese Streuung ermöglicht es dem Anti-Laser, die einfallende Strahlung restlos zu absorbieren. „Es handelt sich um einen komplexen Streuprozess, bei dem sich die einfallende Welle in viele Teilwellen aufspaltet, die sich dann derart miteinander überlagern, dass keine der Teilwellen am Ende nach außen dringen kann“, erklärt Rotter. Der eigentliche Absorber benötigt daher keine große Leistung – im Anti-Laser besteht er aus einer einfachen kleinen Antenne, die von den elektromagnetischen Wellen angeregt wird.

Vielversprechende Anwendungen

Im Test absorbierte dieser Anti-Laser 99,8 Prozent des einfallenden Signals, wie die Forscher berichten. „Damit präsentieren wir die erste experimentelle Umsetzung eines Zufalls-Anti-Lasers“, konstatieren sie. „Er liefert den Beweis dafür, dass eine kohärente, perfekte Absorption auch in ungeordneten Medien möglich ist.“ Das Prinzip dieses „Random Anti Lasers“ eröffne damit ganz neue Möglichkeiten und Anwendungen überall fort, wo Wellen fokussiert, gelenkt oder absorbiert werden müssen.

„Stellen wir uns zum Beispiel vor, man könnte ein Handy-Signal genau so anpassen, dass es perfekt von der Antenne in einem bestimmten Handy absorbiert wird“, erläutert Rotter. „Auch in der Medizin hat man es oft mit der Aufgabe zu tun, Wellenenergie möglichst perfekt an einen ganz bestimmten Punkt zu transportieren – etwa Stoßwellen, die einen Nierenstein zertrümmern.“ (Nature, 2019; doi: 10.1038/s41586-019-0971-3)

Quelle: Technische Universität Wien

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