Ungewöhnlich, aber mit großem praktischen Nutzen für spektroskopische Anwendungen

Auf der ganzen Welt versucht man, neue Laser zu entwickeln. Einen unkonventionellen Ansatz verfolgt man nun an der TU Wien: Man nutzt die Macht des Zufalls

09.11.2020 - Österreich

Will man Moleküle identifizieren, sind Terahertz-(THz-)Laser extrem nützlich: Viele Moleküle können nämlich ganz bestimmte Lichtwellenlängen aus dem THz-Bereich absorbieren. Wenn man also Absorptionslinien bei bestimmten Wellenlängen misst, kann man genau sagen, um welche Moleküle es sich handelt. Seit Jahren wird daher intensiv an der Entwicklung von THz-Lasern gearbeitet. Eine vielversprechende Variante sind sogenannte Quantenkaskadenlaser, wie sie auch an der TU Wien mit großem Erfolg entwickelt werden. Sie liefern Laserlicht mit besonders hoher Leistung und Bandbreite.

Nun versuchte man an der TU Wien, die Entwicklung solcher Lichtquellen auf exotische Art voranzutreiben – mit sogenannten Zufallslasern. Während bei konventionellen Lasern die erzeugten Wellenlängen sorgfältig ausgewählt und durch die nanometergenau hergestellte Geometrie des Lasers festgelegt wird, liefert der Zufallslaser durch ein hohes Maß an innerer Unordnung viele völlig zufällige Wellenlängen gleichzeitig. Was wie ein Nachteil klingt, lässt sich technologisch nutzbar machen – das zeigt eine Studie, die nun im Fachjournal „Nature Communications“ veröffentlicht wurde.

Der Zufall als Verbündeter

„Zufallslaser – auch Random Laser genannt – basieren auf zufälliger Lichtstreuung“, erklärt Sebastian Schönhuber vom Institut für Photonik der TU Wien. „Man verwendet keinen sauberen Kristall, wie in einem gewöhnlichen Laserpointer, sondern ein Material voller Fehler, in dem das erzeugte THz-Licht zufällig gestreut wird.“ Dabei entstehen unzählige verschiedene Lichtfrequenzen, die sich durch puren Zufall ergeben. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lasern strahlt ein Zufallslaser also nicht bloß eine bestimmte Farbe ab, sondern ein kompliziertes, buntes Farbspektrum.

Was macht man aber mit einem Zufallslaser, wenn man eine ganz bestimmte Wellenlänge benötigt? Dafür fand das Team der TU Wien nun eine Lösung: einen speziellen Kontrollmechanismus. „Wir verwenden einen Optimierungsalgorithmus, um den Random Laser auf eine gewünschte Frequenz zu stimmen“, sagt Nicolas Bachelard vom Institut für Theoretische Physik. „Dazu bestrahlen wir den Laser mit Infrarotlicht, das uns erlaubt, das Laser-Material gezielt zu beeinflussen. Wenn wir das Infrarotlicht nun räumlich strukturieren, können wir dadurch die Zusammensetzung des ausgestrahlten Terahertz-Laserlichts gezielt kontrollieren. In mehreren Optimierungsschritten kommen wir so dem gewünschten Ergebnis immer näher.“

Dadurch kann im Gegensatz zu anderen Lasern praktisch jede beliebige Frequenz ausgewählt werden, ohne den Laser selbst beziehungsweise seine Geometrie anpassen zu müssen.

Ungewöhnlich, aber mit großem praktischen Nutzen

„Natürlich mag es auf den ersten Blick ein wenig umständlich klingen ein System zuerst in Unordnung zu bringen um es danach wieder zu kontrollieren”, sagt Benedikt Limbacher vom Institut für Photonik, „jedoch erlaubt dieser unkonventionelle Weg, extrem praktische und kompakte Laserquellen zu entwickeln, die für spektroskopische Anwendungen geeignet sind.“