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Zwei Strahlen aus einem Laser

Neuer Flüssigkristall-Mikrolaser schickt zwei kohärente Strahlen in verschiedene Richtungen

Doppellaser
Ein neu entwickelter Laser produziert zwei kohärente, gekoppelte Strahlen, die aber im Winkel zueinander stehen und entgegen gesetzt polarisiert sind. © Mateusz Krol/ Universität Warschau, Fakultät für Physik

Doppelter Strahl: Physiker haben einen Mikrolaser entwickelt, der zwei zueinander kohärente Strahlen gleichzeitig produzieren kann. Beide Strahlen sind entgegengesetzt polarisiert und stehen im Winkel zueinander, sind aber in ihrer Phase miteinander gekoppelt. Möglich wird dies durch spezielle Flüssigkristalle in der Kavität des Farbstofflasers. Der neuartige Doppellaser eröffnet neue Anwendungen in der Quantenkommunikation, Laseranalytik und Computertechnologie.

Laser sind in Alltag, Technik und Forschung längst unverzichtbar: Sie machen kleinste Strukturen und Schwingungen sichtbar, bearbeiten Materialien, kühlen Atome und bilden das Rückgrat der modernen Computertechnik und Datenübertragung. Gemeinsam ist allen Lasern, dass sie hochfokussierte, im Gleichtakt schwingende Lichtwellen erzeugen. Diese entstehen, indem Moleküle in einer Flüssigkeit oder einem Kristall gezielt zur Freisetzung einer ganzen Lawine von Photonen stimuliert werden.

Typischerweise kann dabei die Resonatorkammer eines Lasers nur einen Strahl geordneter Photonen aussenden. Benötigt man zwei zueinander kohärente Laserstrahlen, muss man einen Strahlteiler einsetzen, der mithilfe eines halbdurchlässigen Spiegels den Laserstrahl aufteilt und ablenkt.

Flüssigkristalle im Farbstofflaser

Doch es geht auch anders, wie nun Marcin Muszynski von der Universität Warschau und sein Team demonstrieren. Sie haben einen neuartigen Mikrolaser entwickelt, der zwei Strahlen gleichzeitig produziert, die entgegengesetzt zirkulär polarisiert sind, aber in ihrer Phase gekoppelt – und damit kohärent. Mithilfe eines elektrischen Felds lässt sich zudem der Winkel beider Laserstrahlen zueinander gezielt einstellen.

Möglich wird dies durch die Kombination eines klassischen Farbstofflasers, bei dem organische Pigmentmoleküle die stimulierte Emission von Photonen erzeugen, mit Flüssigkristallen. „Die charakteristische Eigenschaft von Flüssigkristallen sind ihre länglichen Moleküle“, erklärt Muszynski. Diese sind doppelbrechend: Ihr Brechungsindex unterscheidet sich je nachdem, ob Licht längs oder quer durch sie hindurchfällt.

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Laseraufbau
Aufbau des Lasers (a) und anfängliche Orientierung der Flüssigkristalle (b). Wird nun ein elektrisches Feld angelegt (c) und die Spannung erhöht (d-g), richten sich die Kristalle so aus, dass zwei Lichtmoden und damit zwei zirkular polarisierte und leicht versetzt ausgerichtete Laserstrahlen entstehen.© Muszynski et al./ Physical Review Applied , CC-by 4.0

Zwei stehende Wellen in der Laserkammer

Der neue Doppellaser besteht aus einer nur drei Mikrometer langen Laserkammer zwischen zwei Spiegeln, in der Flüssigkristall-Moleküle und der Laser-Farbstoff Pyrromethen 580 miteinander gemischt sind. Wird dieses Lasermedium nun durch Lichteinfall angeregt, bilden sich zwei stehende Wellen aus Licht, sogenannte Lichtmoden, deren lineare Polarisation einander entgegengesetzt ist, wie die Physiker erklären.

Der Clou jedoch: Die Flüssigkristall-Moleküle lassen sich durch ein elektrisches Feld gleich ausrichten und in beliebige Richtungen drehen. Durch ihren richtungsabhängigen Brechungsindex beeinflussen die Kristalle dadurch auch die Lichtmoden in der Resonatorkammer: Eine stehende Welle veränderte ihre Energie durch diese Molekülrotation, die andere hingegen nicht.

Kohärente und untrennbar gekoppelte Strahlen

Als das Forschungsteam die Moleküle so drehte, dass beide Modi in Resonanz zueinander standen, geschah etwas Unerwartetes: „Das von der Kavität emittierte Licht veränderte plötzlich seine Polarisation von linear zu zirkulär und bildete zwei Strahlen – einer war linkdrehend, der andere rechtsdrehend polarisiert“, berichtet Muszynskis Kollege Jacek Szczytko. Beide Laserstrahlen gingen zudem in unterschiedliche Richtung, sie standen in einem Winkel von mehreren Grad zueinander.“

Das Entscheidende jedoch: Trotz dieser Richtungsunterschiede und der gegensätzlichen Polarisierung waren beide Laserstrahlen noch immer kohärent – ihr Licht schwang im Gleichtakt. Erkennbar war dies an der sogenannten persistenten Spin-Helix, einer Art Streifenmuster in den Laserstrahlen. „Theoretische Berechnungen zeigen, dass solche Muster gebildet werden, wenn zwei entgegensetzt polarisierte Strahlen phasenkohärent sind und beide Lichtmoden untrennbar gekoppelt“, erklärt Muszynski. „Diese Kopplung ist vergleichbar mit der quantenphysikalischen Verschränkung.“

Anwendungen in Quantenkommunikation und Co

Damit haben die Physiker einen Mikrolaser entwickelt, der zwei gekoppelte und kohärente, aber im Winkel zueinander stehende Strahlen erzeugen kann. Über die Spannung des an der Laserkammer angelegten elektrischen Felds lässt sich zudem die Wellenlänge der Laserstrahlen einstellen. Im Experiment variierten die Forschenden die Wellenlänge um bis zu 40 Nanometer.

Dies eröffne zahlreiche Anwendungen: „Der präzise einstellbare Doppellaser kann auf vielen Gebieten der Physik, Chemie, Medizin und Kommunikation eingesetzt werden“, sagt Koautorin Barbara Pietka von der Universität Warschau. „Diese neue photonische Architektur kann beispielsweise große Mengen an Information mit hoher Geschwindigkeit und Energieeffizienz verarbeiten.“ Gerade in der Quantenkommunikation sei dies wertvoll. (Physical Review Applied, 2022; doi: 10.1103/PhysRevApplied.17.014041)

Quelle: Universität Warschau, Fakultät für Physik

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