Damit ein Laser Laserstrahlen - also gebündelte Lichtstrahlen - erzeugen kann, braucht es zwei Dinge: Ein Medium, welches angeregt wird und das Licht verstärkt. Und eine Struktur, die das Licht im Medium hält. Dafür werden klassischerweise Kristalle wie Rubin oder Gase wie Helium oder Stickstoff eingesetzt. Während ein konventioneller Laser über Spiegel geordnet zielgerichtet in eine Richtung leuchtet, strahlt ein sogenannter Zufallslaser durch seine unregelmäßige Mediumsstruktur in die verschiedensten Richtungen. „Die Voraussetzung für einen Zufallslaser ist ein definiertes Maß an struktureller Unordnung im Inneren“, erklärt Daniel Van Opdenbosch von Technischen Universität München.

Zellstoffpapier als natürliches Lichtmedium

Gemeinsam mit Physikern der Universität Rom haben die Münchner den ersten steuerbaren Zufallslaser basierend auf natürlichen Strukturen gebaut. Wie das Team im Fachjournal „Advanced Optical Materials“ berichtet, ist es ihnen erstmals gelungen, „eine biologische Struktur als Vorlage für einen technischen Zufallslaser zu verwenden". Als Lichtmedium nutzten die Forscher gewöhnliches Filterpapier aus Zellstoff, wie es in den Laboren zu finden ist. „Wegen seiner langen Fasern und der daraus resultierenden stabilen Struktur erschien es uns als geeignet“, sagt Van Opdenbosch.

Wirre Struktur lenkt Licht in alle Richtungen

Im Zufallslaser wird das Licht also entlang zufälliger Pfade entsprechend der unregelmäßigen Struktur im Inneren des Mediums gestreut. Das Zellstoffpapier bot diese chaotische innere Struktur. „Unser Laser ist insofern zufällig, weil das – über die biogene Struktur des Labor-Filterpapiers – in verschiedene Richtungen abgelenkte Licht auch in die Gegenrichtung gestreut werden kann“, beschreibt Daniel Van Opdenbosch das Prinzip.

Lichtstreuung wie in der Sonnencreme

Dafür wurde das Zellstoff-Papier im Labor mit Tetraethylorthotitanat, einer metallorganischen Verbindung, imprägniert und anschließend bei 500 Grad Celsius ausgebrannt. Zurück blieb der Keramikstoff Titandioxid. Das Material  wird auch in Sonnencremes als Lichtschutz verwendet. „Der Effekt in Sonnencremes basiert auf der starken Streuung von Licht an Titandioxid, was wir auch für unseren Zufallslaser brauchten“, erklärt Van Opdenbosch.

Zufälligkeit ist steuerbar

Dass auch ein Zufallslaser steuerbar ist, haben die Forscher der Universität Rom im Rahmen der Grundlagenstudie gezeigt. Mithilfe eines Spektrometers konnten sie verschiedene im Material entstehende Laserwellenlängen unterscheiden und getrennt voneinander lokalisieren. „Der Versuchsaufbau, mit dem die Proben kartiert wurden, bestand aus einem grünen Laser, dessen Energie verändert werden konnte, aus Mikroskopielinsen und einem mobilen Tisch, mit dem die Probe abgefahren werden konnte. Damit konnten die Kollegen herausfinden, dass bei verschiedenen Energielevels unterschiedliche Bereiche des Materials verschiedene Laserwellen ausstrahlen“, sagt Van Opdenbosch. Der Laser konnte somit nicht nur nach Belieben eingestellt werden. Auch Richtung und Helligkeit der Strahlung waren je nach Bedarf veränderbar.

Noch steht die Forschung bei der Entwicklung von Zufallslasern zwar am Anfang. Doch sein Potenzial ist sichtbar. "Solche Materialien können beispielsweise als Mikro-Schalter oder Detektoren für strukturelle Änderungen nützlich sein", sagt Van Opdenbosch. Auch die Produktionskosten könnten mithilfe von Zufallslasern gesenkt werden.

bb