Forschung & Entwicklung

Vom klassischen zum Quanten-Laser

07.06.2010

Innsbrucker Forscher haben einen Laser mit einem einzelnen Atom realisiert, der sowohl die Eigenschaften eines klassischen Lasers zeigt, als auch die quantenmechanische Natur der Atom-Photon-Wechselwirkung.

In einer Ionenfalle ist ein Calcium-Ion zwischen zwei

Ein Merkmal klassischer Laser ist der sprunghafte Anstieg der Ausgangsleistung beim Erreichen der Schwellpumpleistung, bei der die Verluste im Resonator gerade durch die Verstärkung im Medium ausgeglichen werden. Dabei ist der Selbstverstärkungseffekt des Lichts in einer Schwingungsmode um so größer, je mehr Photonen in dieser Mode bereits vorhanden sind. Bei makroskopischen Lasern sind daran viele Atomen und viele Photonen beteiligt.
Experimentalphysikern um Prof. Rainer Blatt und Dr. Piet Schmidt an der Universität Innsbruck 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 externer Laser angeregt. Ein optischer Resonator hoher Güte fängt die vom Ion emittierten Photonen in einer Mode ein und speichert sie. 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. Dieser „Quantenlaser“ wurde bereits vor einigen Jahren in einem ähnlichen System demonstriert.

Photonik 3/2010

• http://www.uibk.ac.at/exphys