Mini-laser kan documenten én geld waarmerken

Versterking van licht kan plaatsvinden in bepaalde atomen, moleculen en kristallen, door omzetting van energie uit een andere bron. Om het licht op te sluiten in het gebied waar versterking plaatsvindt, zijn in de meeste lasers precies uitgelijnde spiegels nodig.

Meervoudige verstrooiing
De Twentse en Amsterdamse onderzoekers hebben onderzoek gedaan naar een speciaal type laser waarin versterking gecombineerd wordt met lichtverstrooiing. Verstrooiing speelt een rol in vrijwel alle takken van wetenschap en techniek. Materialen als mist, melk en verf verstrooien licht. De combinatie van versterking en verstrooiing is niet logisch, want lichtverstrooiing probeert men in lasers meestal te voorkomen. Spiegels kunnen verstrooid licht namelijk niet opsluiten. Er is echter één vorm van verstrooiing, meervoudige verstrooiing, die wel op te sluiten is. De voortplanting van licht in een verstrooiend materiaal gaat dan langs willekeurige ‘dronkemanswandelingen’,  waardoor het licht lang in hetzelfde gebied blijft. Een sterk verstrooiend medium waarin de intensiteit van het licht ook nog eens versterkt wordt, heet een random laser.

Voor een random laser zijn twee tijden van belang: de verblijftijd van licht en de versterkingstijd. De verblijftijd is de tijd die het licht nodig heeft om een bepaalde dronkemanswandeling af te leggen. De versterkingstijd is de tijd dat het licht in het medium moet blijven om voldoende versterkt te worden om van het verstrooiend medium een laser te maken. Als de verblijftijd van een wandeling langer is dan de versterkingstijd ontstaat de laserwerking.

Spectraal zuiver licht
Wereldwijd hebben wetenschappers experimenten gedaan aan dergelijke random lasers die versterking en verstrooiing combineren. Onverwacht heeft men ontdekt dat sommige van deze lasers spectraal zuiver licht produceren. Spectraal zuiver licht is licht van één golflengte. De precieze oorsprong van dit licht is omstreden: komt het uit kleine gebiedjes of juist uit het gehele volume van de laser?
De onderzoekers van de Universiteit Twente en AMOLF hebben deze vraag nu beantwoord. Ze maakten hiervoor een bijzondere random laser van een spons van galliumfosfide. Dit is het sterkst verstrooiende niet-absorberende materiaal voor zichtbaar licht. Het spectrum van het licht dat deze laser produceert is vijfmaal zo zuiver als dat van andere wanordelijke lasers. De onderzoekers bestudeerden de laser per gebied nauwkeurig met een microscoop. Zij zagen dat het licht uit zeer kleine gebiedjes met een diameter van ongeveer 2 micrometer komt; een aanwijzing dat sterke verstrooiing in staat is licht op onverwacht kleine schaal op te sluiten.

Het combineren van versterking en verstrooiing leidt tot waardevolle nieuwe inzichten in beide fenomenen. Random lasers vinden mogelijke toepassingen in de waarmerking en codering van documenten, betaalmiddelen en informatie. Dit type lasers is namelijk eenvoudig te maken maar niet ná te maken: elke spons heeft namelijk een unieke structuur en daardoor unieke eigenschappen als laser. Bovendien is gebleken dat de random laser een heel kleine laser is. Dit is een stap op weg naar de ontwikkeling van nanolasers, bijvoorbeeld van toepassing bij het steeds verder verkleinen van geïntegreerde optische componenten.