Traag licht met nieuwe laser

Sinds Theodore Maiman in 1960 als eerste slaagde een werkende (robijn)laser te maken, is er verrassend weinig aan zijn ontwerp veranderd. Elke laser bestaat in essentie uit drie elementen. In de eerste plaats is vereist een of ander materiaal dat licht kan geven, vaste stof, vloeistof of een gas. Daarnaast zijn een excitatiebron en een zogenaamde trilholte onontbeerlijk. Dit laatste is een soort 'kastje' waarin het licht wordt opgesloten en in zijn meest simpele uitvoering bestaat het uit twee spiegels.

Wanneer met behulp van de excitatiebron energie aan het lasermateriaal in de trilholte wordt toegevoerd, kunnen er in principe twee processen plaatsvinden. Bij absorptie wordt een binnenkomend foton gebruikt om een atoom vanuit de energetisch laagste, of grondtoestand, over te brengen naar een hogere, aangeslagen toestand. En bij gestimuleerde emissie gebeurt het omgekeerde: een aangeslagen atoom wordt er door een foton juist toe gebracht een foton af te staan.

Van dat laatste proces wordt in een laser dankbaar gebruik gemaakt. Zolang je er immers maar voor zorgt dat er meer atomen in een aangeslagen toestand zitten dan in de grondtoestand, zal gestimuleerde emissie de overhand hebben. Men noemt dit ook wel een populatie-inversie, omdat normaal gesproken het grootste gedeelte van de atomen zich in de grondtoestand bevindt. Eén enkel foton van de juiste golflengte (kleur) is in die situatie voldoende om in één klap alle aangeslagen atomen of moleculen tot het uitzenden van licht te bewegen. Het licht van dat foton wordt zo in een 'kettingreactie van fotonen' vele malen versterkt: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, oftewel LASER.

Flitslamp

Om populatie-inversie te bewerkstelligen moet er dus wel eerst van buitenaf energie worden toegevoerd. In Maimans laser was deze afkomstig van een sterke flitslamp, maar in principe kun je het zo gek niet bedenken of het is wel gebruikt om lasers mee te 'pompen': elektrische spanning, chemische reacties, andere lasers, nucleaire explosies, noem maar op. Het grote probleem is bijna altijd dat aangeslagen toestanden zo kort leven. Luttele miljardsten van seconden nadat je voldoende atomen of moleculen hebt geëxciteerd, zijn ze al weer teruggevallen naar de grondtoestand. En daarin absorberen ze het licht dat je met zoveel moeite uit het lasermateriaal probeert te krijgen en gaan ze dus laserwerking heel effectief tegen: absorptie en gestimuleerde emissie zijn als water en vuur.

Het is daarom helaas altijd nodig veel meer energie te investeren om een laser aan de praat te krijgen dan er uiteindelijk aan licht uitkomt. Helemaal problematisch wordt dat wanneer licht van steeds kortere golflengtes (in het ultraviolet of zelfs röntgengebied) gewenst is. De hiervoor benodigde aangeslagen toestanden liggen namelijk aanzienlijk hoger en leven om die reden veel korter, waardoor de problemen toenemen. Eigenlijk zou je een atoom moeten hebben dat geen absorptie, maar wel gestimuleerde emissie vertoont, en dat leek tot voor kort niet meer dan een vrome wens.

Binnen de quantummechanica kan echter alles, en met name de laatste paar jaar is er - eerst in theorie en heel recent ook steeds vaker in de praktijk - een aantal vernuftige oplossingen gevonden om te komen tot een laser-zonder-inversie (LZI). En hoewel dat op het eerste gezicht misschien niet meer dan een nieuw speeltje voor natuurkundigen lijkt, zijn er ongekende potentiële toepassingen: van microscopen tot deeltjesversnellers.

Onaangedaan

In de jaren tachtig wezen Russische natuurkundigen voor het eerst op de mogelijkheid om een LZI te maken. In zijn meest simpele vorm maakt zo'n LZI gebruik van drie energieniveaus: een grondtoestand en twee aangeslagen toestanden of omgekeerd. Door twee lasers tegelijkertijd als excitatiebron te gebruiken, kan absorptie worden tegengegaan, terwijl de emissie onaangedaan blijft (zie kader). Het vuur is zo nog aanwezig, terwijl het water wordt tegengehouden. Een simpel lampje is hierna voldoende om de laser 'aan' te zetten.

Onlangs slaagden twee groepen er onafhankelijk van elkaar in dit principe in de praktijk te verwezenlijken, de een in het infrarood en de ander in het zichtbare (gele) gebied (Physical Review Letters, 21 augustus, pagina 1499). Een alternatief schema voor een LZI is ontwikkeld in de groep van Ben van Linden van den Heuvell aan de Universiteit van Amsterdam. Hij en zijn medewerkers hielden tot voor kort het record van lichtversterking: meer dan een factor 4.

Nu is aangetoond dat het principe waarop de LZI gebaseerd is in de praktijk klopt, kan er worden gewerkt aan het bouwen van lasers die licht geven bij korte golflengtes. Omdat deze tot een veel kleinere spot kunnen worden gefocusseerd, ontstaan er nieuwe mogelijkheden voor de microlithografie, een techniek waarbij met behulp van licht patronen op chips worden geëtst.

Maar er zijn veel exotischer toepassingen van de LZI. Die maken gebruik van het feit dat licht zich in materie trager voortplant dan in vacuüm. Dit is met name het geval wanneer laserpulsen zich door een medium voortplanten dat het licht absorbeert. Hoe sterker de absorptie, hoe groter de vertraging, maar ook hoe minder licht je overhoudt. De afremming treedt echter nog steeds op wanneer, zoals hierboven beschreven, de absorptie wordt 'geblokkeerd': er blijven bijna evenveel fotonen over, alleen bewegen deze veel langzamer.

En 'traag' licht is nuttig. Als de snelheid afneemt terwijl de frequentie gelijk blijft, wordt de golflengte effectief korter. Dit is bijvoorbeeld belangrijk voor microscopische toepassingen waarbij immers de maximaal haalbare vergroting direct afhankelijk is van de golflengte: je zou dus veel kleiner kunnen kijken. Ook wordt het mogelijk een revolutionair type deeltjesversneller te maken. In principe kun je namelijk elektronen laten 'surfen' op lichtgolven die ontstaan door twee laserbundels onder een kleine hoek met elkaar te laten interfereren. Omdat de lichtsnelheid zo groot is, haalt de golf de surfers in en remt deze af. Door het licht te vertragen wordt dat probleem omzeild.

Zolang de LZI's nog niet tot de standaarduitrusting van het moderne laboratorium behoren, zoals hun 'ouderwetse' broertjes, liggen voornoemde toepassingen niet meer dan in het verre verschiet. Toch laat de LZI nu al zien dat zelfs een meer dan dertig jaar oude technologie voor spectaculaire verbeteringen vatbaar is.

Illustratie: Laser zonder inversie

In een standaardlaser is de absorptie alleen te overwinnen door méér atomen in de aangeslagen toestand dan in de grondtoestand te krijgen (een populatie-inversie). In een LZI hoeft dat niet, omdat via een truc de absorptie wordt uitgeschakeld. Daarvoor is een atoom nodig met een grondtoestand (a) en twee 'gekoppelde' aangeslagen toestanden, (b) en (b'). Alleen tussen (a) en (b) is laserwerking mogelijk. Er worden nu twee kleuren licht met een nauwkeurig bepaalde polarisatie ingestraald. De een zorgt voor een overgang van (a) naar (b), de ander voor een overgang van (a) naar (b'), die op zijn beurt weer naar (b) kan vervallen. Omdat er nu twee manieren zijn om in (b) te komen ontstaat er quantuminterferentie: het atoom kan niet goed kiezen en besluit daarom om maar helemaal niet te gaan. Zo wordt de absorptie van (a) naar (b) effectief geblokkeerd. Gestimuleerde emissie kan nu worden bereikt met slechts een paar atomen in (b); een volledige populatie-inversie is niet meer nodig.