Laserkaleidoskop dank Raman-Effekt

Zukünftig könnten sich Laser-Wellenlängen stufenlos einstellen lassen

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Kompakte, preiswerte Laser decken das Spektrum vom Infraroten bis zum Ultravioletten bislang nicht komplett ab. Insbesondere im ultravioletten Bereich, der für medizinische Anwendungen, etwa Gewebeuntersuchungen in der Onkologie interessant wäre, klaffen Lücken. Nun zeigt sich ein möglicher Lösungsweg.

Experimente im infraroten Bereich könnten einen Weg weisen, die Wellenlänge von Lasern gezielt nach Wunsch einzustellen: Mittels Raman-Effekt lässt sich die Wellenlänge nachträglich verschieben – und das zudem mit einem besonders hohen Wirkungsgrad sowie bei wesentlich kleineren Lichtintensitäten als bisher. Dazu sind allerdings speziell präparierte Glasfasern nötig.

Die langen, honigwabenförmigen Hohlräume dieser Faser lassen sich unter 7 bar Druck mit Wasserstoff füllen, der die infraroten Photonen inelastisch streut, also Energie aufnehmen oder abgeben kann. Die Fasern sind zwischen 3 und 35 Metern lang. (Bild: F. Benabid/Univ. of Bath)

Forscher der Universität von Bath in England haben mittels stimulierter Raman-Streuung die Wellenlänge eines infraroten Lichtstrahls eines Nd:YAG-Lasers in einer geeignet präparierten Glasfaser verschoben, und zwar mit einem weitaus höherem Wirkungsgrad und bei wesentlich kleiner Lichtintensität als es bisher möglich war. Die Wellenlänge des vom Laser abgestrahlten Lichts betrug 1064 Nanometer, er lieferte 6300 Lichtpulse pro Sekunde mit einer maximalen Energie von jeweils einem Mikrojoule. Sie berichten ihre Ergebnisse in der Ausgabe vom 17. September 2004 der Zeitschrift Physical Review Letters auf Seite 123903 in Band 93.

Laut Aussage der englischen Wissenschaftler ließe sich mit einer geeignet präparierten, hohlen Glasfaser, geeignetem Gas in den Hohlräumen und einem passenden Pumplaser das komplette Spektrum vom Ultravioletten bis hin zum fernen Infrarot abdecken.

Wellenlängenverschiebung funktioniert mit einer Million Mal schwächerer Lichtintensität als bisher

Der Raman-Effekt ist ein Streuvorgang an Molekülen, bei dem ein Photon Energie verlieren oder gewinnen kann, dieser Vorgang kann auch stimuliert geschehen, analog zum Prinzip des Lasers, so dass der gestreute Lichtstrahl kohärent bleibt. So kann ein Lichtteilchen ein Molekül zum Rotieren oder Schwingen anregen, was wiederum seine Wellenlänge entsprechend dem Energieverlust vergrößert. Dieser Energieverlust ist quantisiert, so dass das Spektrum des gestreuten Lichts aus Linien und nicht aus einem Kontinuum besteht. Die hier nicht erwünschten Schwingungsanregungen unterdrückten die Wissenschaftler durch geeignetes Präparieren der Glasfaser: hier galt es, Rotationen anzuregen. So erreichten sie einen hohen Wirkungsgrad.

Das Spektrum des infraroten Lichts nach dem Verlassen der Faser. Die mit den Buchstaben a, b, c und d gekennzeichneten Spektren sind mit zirkular, linear und in den letzten beiden Fällen mit elliptisch polarisiertem Licht aufgenommen, die Intensitäten sind logarithmisch skaliert und auf die Intensität des Pumpstrahls normiert. Die Beschriftung AS1 bezeichnet einen Energiegewinn der Photonen, S1 und S2 einen Energieverlust und P den Pumpstrahl mit 1064 Nanometern Wellenlänge. (Bild: F. Benabid/Univ. of Bath)

Das Besondere dieser Glasfaser ist ihre ungewöhnliche Bauweise als photonischer Kristall, der in einem gewissen Wellenlängenintervall das Ausbreiten einer Lichtwelle unterdrückt. Die bis zu 35 Meter langen Fasern kollimieren einerseits den Lichtstrahl, andererseits können die Pump-Photonen auf dieser gesamten Länge die Wasserstoffmoleküle anregen, so dass nunmehr eine relativ kleine Lichtintensität genügt.