Ein Laser aus Pfauenfedern | heise online

Dass Pfauenfedern im Licht aufregend schimmern, ist vielen bekannt. Doch dass die Federn nach einer gezielten Anregung Laserlicht ausstrahlen, ist eine Neuheit. Ein Team um Forscher der Florida Polytechnic University demonstrierte, dass winzige, reflektierende Strukturen im Auge von Pfauenfedern Licht zu einem Laserstrahl bündeln können. Die Ergebnisse erschienen im Fachmagazin Scientific Reports.

Grundbausteine eines Lasers

Grundbaustein für einen Laser ist ein sogenanntes optisch aktives Medium, also ein Material, dessen Atome oder Moleküle durch Licht in einen energetisch höheren Zustand angeregt werden können. Bei sogenannten Farbstofflasern sind das meist fluoreszierende Farbstoffe.

Das aktive Medium wird mithilfe einer geeigneten Lichtquelle angeregt: Die Elektronen wechseln dabei gezielt von einem energiearmen in einen energiereicheren Zustand. Ziel ist die sogenannte Besetzungsinversion – ein Zustand, in dem sich mehr Elektronen auf dem höheren Energieniveau befinden als auf dem niedrigeren.

Kehren die Teilchen in ihren energetisch günstigeren Zustand zurück, geben sie die überschüssige Energie in Form von Photonen ab. Diese regen weitere Teilchen dazu an, ebenfalls Photonen auszusenden. Ein Resonator verstärkt diesen Prozess und bündelt die entstehende Lichtlawine zu einem fokussierten Laserstrahl.

Ein Resonator der Natur

In einem herkömmlichen Laser besteht der Resonator aus gezielt angeordneten Spiegeln. In der Natur können jedoch auch mikroskopische Strukturen einen ähnlichen Effekt hervorrufen. Das ist der Fall in Pfauenfedern. Schillernde Farbtöne werden hier nicht mithilfe von Pigmenten erzeugt, sondern entstehen aufgrund geordneter Mikrostrukturen im Innern der Feder, die das Licht auf bestimmte Weise reflektieren. So entstehen leuchtende Blau- und Grüntöne.

Das Forschungsteam färbte die Federn mehrfach mit dem Farbstoff Rhodamin 6G ein – einem bekannten Lasermedium für Farbstofflaser – und regte sie anschließend mit einem Festkörperlaser an.

Die Forscher konnten beobachten, dass verschiedenfarbige Regionen der Feder Laserstrahlung in zwei Wellenlängen emittieren und so einen gelb-grünlichen Laserstrahl erzeugen. Dieser war zwar nicht mit bloßem Auge erkennbar, konnte aber mit Messgeräten detektiert werden.

Mechanismus unklar

Obwohl die verschiedenen Stellen der Feder in unterschiedlichen Farben schillerten und sich daher vermutlich in ihrer Mikrostruktur unterschieden, strahlten sie Laserlicht der gleichen Wellenlänge aus. „Die Ergebnisse deuten auf eine kritische Struktur im Inneren der Federn hin, die über verschiedene Farbregionen des Augenflecks fortbesteht“, schreiben die Autoren in der Studie. Das seien vermutlich nicht dieselben Strukturen, die für die schillernden Farben im Pfauenauge verantwortlich sind.

Wie die Makrostrukturen genau aussehen, die als Laserresonator agieren, konnte das Team nicht identifizieren. Somit fehlt bislang eine schlüssige Erklärung für den beobachteten Effekt. Nathan Dawson, Mitautor der Studie, schlug gegenüber Science vor, dass Proteinkörnchen oder ähnliche kleine Strukturen im Inneren der Federn als Laserhohlraum fungieren könnten.

Matjaž Humar, Biophotonik-Forscher an der Universität Ljubljana, sagte ebenfalls in Science, das Experiment sei „ein faszinierendes und elegantes Beispiel dafür, wie komplexe biologische Strukturen die Erzeugung von kohärentem Licht unterstützen können.“

Dawson und sein Kollege glauben, dass ihre Arbeit eines Tages zur Entwicklung von biokompatiblen Lasern führen könnte, die sicher in den menschlichen Körper für Sensor-, Bildgebungs- und Therapiezwecke eingebaut werden könnten.

(spa)