Synthesizer für Laserlicht

6.2.2017

Optische Parametrische Oszillatoren sind Synthesizer für Laserlicht: Mit ihnen lässt sich die Frequenz eines Lasers in weiten Bereichen durchstimmen. Jetzt ist es einer Forschungsgruppe am Freiburger Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) erstmals gelungen, diesen Prozess im Dauerstrichbetrieb bis zu acht Mikrometer Wellenlänge auszudehnen, sodass der für die Spektroskopie so wichtige Mittel-Infrarot-Bereich ganz einfach per Schieberegler erreicht wird.

© Foto IMTEK

»Flüstergalerie-Resonatoren« sind besonders effiziente optische Resonatoren. Sie führen Licht in einer Kreisscheibe aus nichtlinear-optischem Material mittels totaler interner Reflexion (links). Mit solchen Resonatoren lässt sich Laserlicht mit Wellenlängen von vier bis acht Mikrometern generieren (rechts).

Der physikalische Effekt der optisch-parametrischen Oszillation beruht auf der nichtlinear-optischen Wechselwirkung von Laserlicht mit einem nicht-zentrosymmetrischen Kristall. Strahlt man Laserlicht in einen solchen Kristall ein, so wird diese Pumplichtwelle in zwei Lichtwellen aufgespalten: in die Signalwelle und in die Idlerwelle. Das Teilungsverhältnis des Lichts lässt sich über die sogenannte »Phasenanpassung« exakt einstellen. Diese wird durch die Wahl des Kristallmaterials und durch die Betriebsbedingungen bestimmt. Der Freiburger Forschungsgruppe ist es nun erstmals gelungen, diesen Prozess im Dauerstrichbetrieb bis zu acht Mikrometer Wellenlänge auszudehnen. Im Ergebnis erhält man einen »Schieberegler« für die Laserfrequenz – einen Synthesizer für Laserlicht. Charakterisiert wurde diese durchstimmbare Mittel-Infrarot-Lichtquelle am Fraunhofer IPM.

Lichtrecycling per Resonator

Damit der beschriebene nichtlinear-optische Prozess auch tatsächlich stattfindet, ist ein optischer Resonator nötig; der Begriff »Oszillation« im Namen des Prozesses deutet das schon an. In einem optischen Resonator wird das Licht recycelt, mehrfach durch das Material geführt und effizient in der Frequenz konvertiert. Eine besonders kompakte Ausführung sind sogenannte »Flüstergalerie-Resonatoren«: Hier wird das Licht in einer Scheibe aus nichtlinear-optischem Material mittels totaler interner Reflexion im Kreis geführt (Bild links). Ein solcher Resonator aus kristallinem Silber-Gallium-Selenid (AgGaSe2), das einen sehr großen Transparenzbereich aufweist, ist die Basis dieses Durchbruchs auf dem Gebiet der optisch-parametrischen Oszillation. Mit einem einzelnen Resonator dieser Art lässt sich Laserlicht im Wellenlängenbereich von vier bis acht Mikrometern Wellenlänge generieren (Bild rechts). Hierbei werden wohldefiniert sehr unterschiedliche Kombinationen von Lichtmoden zur Phasenanpassung eingesetzt. Die Lichtleistungen erreichen in der ersten Ausführung Werte von 10 bis 800 Mikrowatt. Durch weitere Forschung sollten durchstimmbare Lasersysteme auch mit höheren Lichtleistungen realisiert werden können. Auch eine Ausweitung auf noch größere Lichtwellenlängen erscheint möglich. Die bisherigen Arbeiten werden insbesondere im Rahmen des BMBF-Projekts »Flüsterlicht« und von der Deutsche Telekom Stiftung gefördert.

Originalveröffentlichung

S.-K. Meisenheimer, J. U. Fürst, K. Buse, I. Breunig, Continuous-wave optical parametric oscillation tunable up to an 8 µm wavelength, Optica 4 (2), 189–192 (2017).

Optica Vol. 4, Issue 2, pp. 189-192 (2017)