Vom klassischen Laser zum „Quantenlaser“
Vor 50 Jahren wurde der erste Laser entwickelt. Heute sind die künstlich gerichteten Lichtstrahlen aus unserem Alltag nicht mehr weg zu denken. Laser sind zentraler Bestandteil einer Vielzahl von Geräten mit Anwendungen in Telekommunikation, Medizin, Haushalt und Forschung. Ein Laser besteht üblicherweise aus einem Verstärkungsmedium, das elektrisch oder optisch gepumpt wird und von einem Spiegelresonator umgeben ist. Das Licht im Resonator wird in Form sogenannter Schwingungsmoden hin- und herreflektiert und dabei in seiner Intensität überhöht und durch das Medium verstärkt. Eines der markantesten Merkmale eines klassischen Lasers ist der sprunghafte Anstieg der Ausgangsleistung beim Erreichen der sogenannten Schwellpumpleistung, bei der die Verluste bei einem Umlauf des Lichts im Resonator durch die Verstärkung im Medium gerade ausgeglichen werden. Ursache dieses Verhaltens ist ein Selbstverstärkungseffekt der Wechselwirkung des Lichts mit den Atomen: Je mehr Photonen in einer Schwingungsmode bereits vorhanden sind, desto größer ist die Verstärkung des Lichts in dieser Mode. Üblicherweise tritt dieser Effekt bei makroskopischen Lasern mit vielen Atomen und vielen Photonen auf.
Den Innsbrucker Forschern ist es nun gelungen, den Beginn dieses verstärkenden Schwellverhaltens bei dem kleinstmöglichen Grundbaustein eines Lasers nachzuweisen: einem einzelnen Atom, das mit einer einzelnen Mode in einem optischen Resonator wechselwirkt. Dazu wurde ein Calcium-Ion in einer Ionenfalle eingefangen und mit Hilfe von externen Lasern angeregt. Zwei, das Ion umgebende Spiegel formen einen optischen Resonator mit hoher Güte, der die vom Ion emittierten Photonen in einer Mode einfängt und speichert. Das Ion wird durch die externen Laser zyklisch angeregt und fügt der Resonatormode bei jedem Zyklus ein Photon hinzu, was zu einer Verstärkung des Lichts führt.
Bei starker Kopplung des Ions an die Resonatormode verhält sich das System aus Atom und Resonator quantenmechanisch: Es können immer nur einzelne Photonen in den Resonator eingebracht werden. „Damit kann es zu keiner Selbstverstärkung und auch zu keinem Schwellverhalten kommen“, erklärt François Dubin, französischer Postdoc und Erstautor der Veröffentlichung. Dieser „Quantenlaser“ wurde bereits vor einigen Jahren in einem ähnlichen System demonstriert. Clou des Innsbrucker Experiments ist die einstellbare Kopplung des Atoms an der Resonatormode. Durch geeignete Wahl der Parameter des Anregungslasers konnten die Physiker der Universität Innsbruck eine stärkere Anregung erreichen und dadurch mehr Photonen in den Resonator einbringen. Obwohl im Mittel immer noch weniger als ein Photon im Resonator vorhanden war, konnten Selbstverstärkungseffekte in Form eines Schwellverhaltens beobachtet werden. „Ein einzelnes Atom ist ein sehr schwacher Verstärker. Daher ist das Schwellverhalten nicht so stark ausgeprägt wie bei einem klassischen Laser“, erläutert Piet Schmidt die Ergebnisse.
Eine noch stärkere Anregung führt im Gegensatz zum klassischen Laser nicht zu einer höheren Ausgangsleistung, sondern aufgrund quantenmechanischer Interferenzen zum Verlöschen des Lasers. Dies stellt eine fundamentale Einschränkung für Miniaturlaser bestehend aus wenigen Atomen dar. Die Innsbrucker Forscher wollen daher nun den Übergang vom Quantenlaser zum klassischen Laser durch kontrolliertes Hinzufügen von weiteren Atomen genauer untersuchen. Unterstützt wurden die Arbeiten vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der Europäischen Kommission und der Industriellenvereinigung Tirol.