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25.09.2017 11:51

Internationales Forschungsteam entdeckt kohärenten Lichtverstärkungsprozess in Laser-angeregtem Glas

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 „Lichtverstärkung in angeregten Dielektrika“ - kurz LADIE - getaufte Effekt basiert auf einem mehrstufigen Prozess, den die Physiker mithilfe von theoretischen Modellierungen verstehen und reproduzieren konnten. Die Ergebnisse veröffentlichte das renommierte Fachjournal Nature Physics jetzt online.  

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 (Billiardstel Sekunden) 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 Anrege-Abfrage-Experimente (engl. „Pump-Probe“) 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 des Fachgebiets Experimentalphysik III der Universität Kassel unter Leitung von Prof. Dr. 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, Physiker am Fachgebiet von Prof. Baumert und an den Experimenten maßgeblich beteiligt. „Aber unsere Erkenntnisse vertiefen das Verständnis der Licht-Materie-Wechselwirkung. Und auch die Entdeckung des Lasers Mitte der 60er 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.“

Die Veröffentlichung erschien am Montag, den 18. September 2017, und ist erreichbar unter folgendem Link: https://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys4265.html

Grafische Darstellung (Grafik: Uni Kassel) unter: http://www.uni-kassel.de/uni/fileadmin/datas/uni/presse/anhaenge/2017/NatPhysics_Deutsch.jpg

Kontakt:
Thomas Winkler
Universität Kassel
Institut für Physik
Tel.: +49 561 804 4319
E-Mail: winkler@physik.uni-kassel.de

Prof. Dr. Thomas Baumert
Universität Kassel
Institut für Physik
Tel: +49 561 804 4452
E-Mail: baumert@physik.uni-kassel.de