Forschende zeigen, wie Netzwerke aus Lasern Licht in kontrollierten Farben bzw. Farbkombinationen emittieren können.
Lasernetzwerke sind Lasersysteme, die spinnennetzähnlich aufgebaut sind. Ein Wissenschaftsteam hat nun eine Methode gefunden, mit der sich ein Netzwerk aus Lasern so steuern lässt, dass es jeweils nur bestimmte Farben oder Farbkombinationen produziert. Mit dem System könnten neue Anwendungen in den Bereichen Sensorik, Informatik und maschinelles Lernen möglich werden.
Die in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlichte Studie wurde vom Imperial College London geleitet und sukzessive von den EU-finanzierten Projekten EPNRL und CORAL unterstützt. Die Ergebnisse von EPNRL, die aus der erfolgreichen Zusammenarbeit von Fachleuten für Netzwerktheorie, Photonik und Halbleiterbauelementen hervorgingen, legten den Grundstein für den Start von CORAL.Wodurch unterscheiden sich Netzwerke aus Lasern von herkömmlichen Lasern? Bei herkömmlichen Lasern wird das Licht in schmalen Strahlen konzentriert, die über große Entfernungen stabil bleiben, wie eine Pressemitteilung auf der Website des Imperial College London erklärt. Das Laserlicht wird für gewöhnlich nur in einer Frequenz, und daher auch nur in einer Farbe, emittiert. Netzwerke aus Lasern hingegen „setzen sich aus einem Netz aus nanoskaligen optischen Fasern zusammen, die in einem spinnennetzartigen Netzwerk verschmolzen sind“. Wenn sich das Licht entlang der Faser bewegt, interferiert es so, dass dadurch hunderte Farben gleichzeitig entstehen. „Die Farben sind jedoch komplex gemischt und werden in zufällige Richtungen gestreut.“
Das Forschungsteam entwickelte eine Methode, mit der sich ein Netzwerk aus Lasern präzise steuern lässt, sodass es unterschiedliche Lichtfarben produziert. Es ließ einzigartige „Lichtmuster“ auf dem Laser erstrahlen und stellte dabei fest, dass jedes Muster eine andere Farbe bzw. Farbkombination generiert. Die Lichtmuster wurden mit einem Mikrospiegelaktor erzeugt. Dabei handelt es sich um ein computergesteuertes Bauelement mit mehreren hunderttausend Mikrospiegeln, die in einer rechteckigen Anordnung auf der Oberfläche verbaut sind. „Der Mikrospiegelaktor wird durch einen Algorithmus optimiert, der das bestgeeignete Muster für die jeweilige Laserfarbe auswählt“, wie die Pressemitteilung beschreibt.
„Um diese komplexen Laser zu bändigen, haben wir die Mathematik der Netzwerktheorie mit den Laserwissenschaften kombiniert. Wir sind überzeugt, dass er in Zukunft eine zentrale Bedeutung in der Chip-basierten Lichtverarbeitung einnehmen wird, und erproben derzeit seine Verwendung als Hardware für maschinelles Lernen“, sagt der Mitautor der Studie, Prof. Riccardo Sapienza, von der Abteilung für Physik am Imperial College London in derselben Pressemitteilung.
Mitautor Prof. Mauricio Barahona von der Abteilung für Mathematik am Imperial College London bemerkt: „Mathematik und Physik kamen hier in einem gelungenen Beispiel zusammen, das demonstriert, wie der Laserprozess durch die Eigenschaften eines Netzwerks beeinflusst und besser gesteuert werden kann. Die nächste große Herausforderung besteht darin, Netzwerke und Lichtmuster zu entwickeln, um das zeitliche Profil des Laserstrahls zu steuern und die darin enthaltenen Informationen zu verschlüsseln.“
Das zweijährige Projekt EPNRL (Electrically pumped network random lasers) endete im Juli 2020. CORAL (COntrolling network RAndom Lasers on chip) startete im März 2020 und wird 2024 enden.
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