Laser ganz neu gedacht: Forscher zähmen das störende Chaos des Lichts

Ein Laserstrahl mag scharf wirken, doch bei starker Leistung beginnt er zu flimmern. Forschende zeigen nun, wie man aus dieser Unruhe ein Licht formt, das stabiler ist als alles, was klassische Physik erlaubt - dank Spezialfaser, Filter und einem physikalischen Kniff.

Quantensprung: Forscher bändigen das Chaos im Laser

Laser kommen in vielen Bereichen zum Einsatz, von der Chirurgie bis zur Datenübertragung. Doch ein grundlegendes Problem begleitet sie seit jeher: Mit zunehmender Verstärkung steigt das sogenannte Intensitätsrauschen - unkontrollierbare Schwankungen in der Lichtstärke. Besonders in der Quantenoptik und bei empfindlichen Messverfahren ist das störend.

Normalerweise gilt: Selbst das ruhigste Laserlicht ist nie ganz frei von Schwankungen - die Quantenmechanik schreibt eine gewisse Unschärfe bei der Anzahl der Lichtteilchen, den Photonen, vor. Diese zufälligen Ausschläge lassen sich nicht komplett ausschalten, nur unter bestimmten Bedingungen etwas verschieben. In der Fachsprache spricht man dann von "Squeezing" - man drückt gewissermaßen die Unruhe in eine Richtung zusammen, um sie in einer anderen zu verringern.


Bisher gelang das nur mit sehr schwachen und speziell abgestimmten Lichtquellen in streng kontrollierten Laborumgebungen. Das Besondere an der aktuellen Studie: Die Forschenden zeigen, dass sich dieser Effekt auch mit starkem, ursprünglich extrem verrauschtem Licht erzielen lässt. Sie schaffen es, aus einem chaotischen Strahl ein Licht zu erzeugen, dessen Schwankungen so stark gedämpft sind, dass sie selbst die theoretischen Grenzen klassischer Physik unterschreiten.

Was uns wirklich überrascht hat, war, dass das Rauschen so gering ist, dass kein klassischer Laserstrahl dieselben Eigenschaften aufweist. Es handelt sich um einen Quantenzustand, für den es kein klassisches Gegenstück gibt

Technisch nutzt das Team einen Spezialfasertyp, in dem sich Lichtwellen bei hoher Intensität gegenseitig beeinflussen - ein Phänomen, das in der Optik als nichtlineare Wechselwirkung bekannt ist. Die Forschenden leiteten die Lichtpulse zunächst durch eine solche Faser. Dort kam es zur sogenannten Vierwellenmischung, bei der Lichtanteile verschiedener Farben miteinander Energie austauschen. Ein programmierbarer Spektralfilter isolierte anschließend genau jene Frequenzkombinationen, die besonders stabil miteinander gekoppelt waren.

Was kommt jetzt?

Das Ergebnis: Der gefilterte Teil des Lichts wies bis zu dreißigmal geringeres Rauschen auf als der Ursprungsstrahl - bei gleichzeitig hoher Spitzenintensität von 0,1 Terawatt pro Quadratzentimeter. Riveras Team plant bereits, das Verfahren auf noch hellere Lasersysteme anzuwenden - mit dem Ziel, auch dort stabile Quantenzustände zu erzeugen.

Die Forschenden sehen Einsatzmöglichkeiten unter anderem bei optischen Verstärkern in Glasfasernetzen, etwa in Datenleitungen oder in der Entwicklung besonders leistungsstarker Lasersysteme. Die Ergebnisse wurden in Nature Photonics veröffentlicht (DOI: 10.1038/s41566-025-01677-2).

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