Wiener Forscher untersuchten außergewöhnliches Verhalten von Lasern

Unter speziellen Bedingungen, an sogenannten Ausnahmepunkten, können sich die Wellen in einem Laser höchst merkwürdig verhalten. Mithilfe eines Schallwellen-Lasers ist es Forschern der Technischen Universität (TU) Wien in einer internationalen Kooperation gelungen, dieses Verhalten zu vermessen. Ihre Ergebnisse haben die Wissenschafter nun im Fachjournal "Nature Photonics" veröffentlicht.

Laser sind nicht nur unverzichtbare Werkzeuge in Wissenschaft und Technik. Durch ihren Einsatz in der Datenübertragung oder etwa in Form von Scannern an der Supermarktkasse haben sie auch längst schon Einzug in unseren Alltag gehalten. Dennoch weisen sie immer noch gewisse Eigenschaften auf, deren Beschreibung und Messung die Wissenschaft vor Herausforderungen stellt.

Linienbreite

Eine dieser Eigenschaften ist die sogenannte Linienbreite: Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Glühbirne, deren Strahlung einen großen Bereich an verschiedenen Frequenzen und Farben beinhaltet, geben Laser für gewöhnlich nur in einem sehr engen Bereich Strahlung ab. Die Breite dieses Bereiches wurde bereits 1958, also zwei Jahre bevor der erste Laser in Betrieb ging, von den beiden Nobelpreisträgern Arthur L. Schawlow und Charles H. Townes theoretisch vorhergesagt.

"Dabei handelt es sich allerdings um eine Abschätzung für die kleinstmögliche spektrale Linienbreite", erklärte der Leiter des österreichischen Teils der Forschergruppe, Stefan Rotter vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien, gegenüber der APA. "Unter sehr speziellen Bedingungen kann ein Laser auch einen viel größeren Bereich an verschiedenen Frequenzen ausstrahlen."

Problem

An solchen Ausnahmepunkten können unterschiedliche Schwingungen im Inneren des Lasers zu einer einzigen, besonders breiten Schwingung verschmelzen. Das Problem dabei ist allerdings, dass sich diese Verbreiterung nur sehr schwer nachweisen lässt. Um den Effekt dennoch einer genauen Messung zugänglich zu machen, verwendeten die Forscher für ihre Experimente einen speziellen Laser, der Schallwellen anstelle von Licht emittiert. "Bei diesen Lasern vibriert der Resonator wie ein winziger Lautsprecher", so Rotter. "Dadurch wird der Effekt leichter messbar."

Während die theoretischen Arbeiten zur aktuellen Studie von der Forschergruppe der TU Wien stammen, wurden die Experimente an der Universität von St. Louis in den USA durchgeführt. Dabei wurden pilzförmige Resonatoren aus Siliziumglas mit Durchmessern von einem Zehntelmillimeter mit Licht angeregt und dadurch in Schwingung versetzt. So gelang es den Forschern schließlich, die Veränderung der Schwingungen an einem der Ausnahmepunkte zu vermessen.