Laserlichtquelle vom Ultravioletten bis zum mittleren Infrarot
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Lasersystem besteht aus drei Komponenten: einem Titan-Saphir-Laser, einem Frequenzverdoppler und einem optisch parametrischen Oszillator. Mit dieser Kombination lässt sich einfrequentes Laserlicht fast beliebig zwischen 350 und 3000 nm Wellenlänge erzeugen. Deshalb lässt sich das Lasersystem besonders flexibel einsetzen. Im Folgenden sind die wichtigsten Einsatzgebiete näher erläutert: Flüstergalerieresonatoren sind (sub)millimetergroße Scheiben oder Ringe aus einem optisch transparenten Material. In ihnen wird das Licht durch Totalreflexion am Rand entlanggeführt. Bei ausreichend guter Herstellung kann man davon ausgehen, dass das Licht im Resonator lediglich durch Absorption gedämpft wird und dort mehrere Kilometer weit propagieren kann. Durch die Messung der Resonatorgüte lassen sich deshalb Absorptionswerte kleiner als 0.01 % pro Zentimeter bestimmen. Das liegt weit unter der Nachweisgrenze herkömmlicher Spektrometer. Dieses Konzept setzen wir für verschiedenste optische Materialien ein. An nominell undotierten Lithiumniobatkristallen sind uns fundamental neue Erkenntnisse gelungen. Wir haben herausgefunden, dass sie stets nicht nur mit Eisen, sondern auch mit Kupfer und Wasserstoff verunreinigt sind. Das lässt sich an charakteristischen Absorptionsbanden zwischen 500 und 2500 nm Wellenlänge erkennen. Mit Hilfe einer Wärmebehandlung kann der Absorptionsverlust bei Wellenlängen über 2000 nm jedoch durch das „Ausheizen“ von Wasserstoff signifikant verringert werden. Bei kürzeren Wellenlängen hilft die Wärmebehandlung jedoch nicht. Während die Absorption durch Eisen mittels der Oxidation von Fe2+ zu Fe3+ verringert wird, läuft gleichzeitig die Umladung von Cu+ zu Cu2+ ab. Dabei führt Cu2+ zu einer charakteristischen breitbandigen Absorption um 1200 nm Wellenlänge. Bei Flüstergalerieresonatoren aus Lithiumniobatkristallen wurden in verschiedenen Untersuchungen unerwünschte Verschiebungen der Resonanzfrequenzen beobachtet und häufig dem photorefraktiven Effekt zugeschrieben. Dabei regt Licht Elektronen in das Leitungsband an. Diese werden umverteilt und erzeugen dadurch elektrische Raumladungsfelder. Über den linearen elektrooptischen Effekt kommt es dann zur Änderung des Brechungsindex und letztendlich zur Verschiebung der Resonanzfrequenzen. In unseren Experimenten konnten wir nachweisen, dass das bei Wellenlängen unter 850 nm tatsächlich der Fall ist. Bei größeren Wellenlängen findet aber keine Anregung der Elektronen durch das Licht statt. Hier spielt jedoch der pyroelektrische Effekt, spielen also durch Temperaturänderung erzeugte elektrische Felder eine Rolle. Diese bauen sich zwar durch die Drift von Kompensationsladungen innerhalb von Stunden wieder ab, führen aber so lange über den elektrooptischen Effekt, zur Verschiebung von Resonanzfrequenzen. Bei der Charakterisierung von Flüstergalerieresonatoren spielt das Lasersystem eine große Rolle. Besonders bei chip-integrierten Systemen ist der Verlust für das Licht häufig nicht durch Absorption, sondern durch die Oberflächenrauheit bestimmt. Hier liefert der wellenlängenabhängige Verlust wertvolle Informationen. Sinkt der Verlust z. B. mit der vierten Potenz der Wellenlänge, handelt es sich mit hoher Sicherheit um Rayleigh- Streuung. Das bedeutet, dass die Streuzentren also viel kleiner als die Wellenlänge sind und zudem zufällig verteilt. Diese Charakterisierungsmöglichkeit hat uns dadurch in die Lage versetzt, den Herstellungsprozess für chip-integrierte Flüstergalerieresonatoren aus Lithiumniobatkristallen zu optimieren. Wir erreichen jetzt Rekordgüten von 107 und konnten erstmals kaskadierte optische Nichtlinearitäten in diesen nur 100-µmgroßen Resonatoren nachweisen. Außerdem hat das Lasersystem sich bewährt, um unterschiedliche Durchstimm- und Modenkontrollkonzepte der Flüstergalerie-Resonatoren zu untersuchen. Als Highlights sei das Durchstimmen mit einem runden piezoelektrischen Aktor erwähnt, den der Flüstergalerie-Resonator wie ein Schwimmring umschließt, als auch die Vermeidung des „Avoided Crossings“, also eines Effekts, welcher das kontinuierliche Durchstimmen von optischer parametrischer Oszillation auf Grund der Kopplung von Moden unterbindet. Außerdem ist es gelungen, flüstergaleriebasierte optisch parametrische Oszillation im mittleren Infrarot kontrolliert bis über 8 µm Wellenlänge durchzustimmen. Auch wenn die Demonstration der neuen Durchstimmmöglichkeiten am Ende sogar mit Diodenlasern gelang, war das durchstimmbare Lasersystem für die Untersuchung und Charakterisierung der Effekte essentiell. Das Lasersystem findet außerdem Einsatz in der Untersuchung laseraktiver Resonatoren. Damit ist uns ein großer Fortschritt auf dem Gebiet flüstergaleriebasierter optisch parametrischer Oszillatoren gelungen. Diese ermöglicht es, eingestrahltes Laserlicht fast beliebig in der Frequenz umzuwandeln. Der von uns praktizierte Ersatz einer externen Pumplichtquelle durch Laserlicht, welches innerhalb des Flüstergalerie-Resonators mittels breitbandiger externer optischer Anregung erzeugt wird, stellt eine drastische Vereinfachung der Aufbauten dar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „Comparative study on three highly sensitive absorption measurement techniques characterizing lithium niobate over its entire transparent range“, Opt. Express 23, 21690 (2015)
M. Leidinger, S. Fieberg, N. Waasem, F. Kühnemann, K. Buse, I. Breunig
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OE.23.021690) - “Influence of dry-oxygen-annealing on the residual absorption of lithium niobate crystals in the spectral range from 500 to 2900 nanometers”, Opt. Mater. Express 6, 264 (2016)
M. Leidinger, K. Buse, I. Breunig
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OME.6.000264) - „Impact of the photorefractive and pyroelectric-electrooptic effect in lithium niobate on whispering-gallery modes“, Opt. Lett. 41, 5474 (2016)
M. Leidinger, C. S. Werner, W. Yoshiki, K. Buse, I. Breunig
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OL.41.005474) - „Strong forward-backward asymmetry of stimulated Raman scattering in lithium-niobate-based whispering gallery resonators“, Opt. Lett. 41, 2823 (2016)
M. Leidinger, B. Sturman, K. Buse, I. Breunig
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OL.41.002823) - „Cascaded second-order nonlinearities in on-chip micro rings“, Opt. Express 24, 29927 (2017) 1
R. Wolf, I. Breunig, H. Zappe, K. Buse
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OE.25.029927) - „Continuous-wave optical parametric oscillation tunable up to an 8 µm wavelength“, Optica 4, 189 (2017)
S.-K. Meisenheimer, J. U. Fürst, K. Buse, I. Breunig
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OPTICA.4.000189) - „Geometric tuning: spectroscopy using whispering-gallery resonator frequency-synthesizers“, Optica 4, 1205 (2017)
C. S. Werner, W. Yoshiki, S. J. Herr, I. Breunig, K. Buse
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OPTICA.4.001205) - „Continuous-wave whispering-gallery optical parametric oscillator based on CdSiP2“, Opt. Express 26, 10833 (2018) 3
Y. Jia, K. Hanka, K. T. Zawilski, P. G. Schunemann, K. Buse, I. Breunig
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OE.26.010833) - „Control of mode anticrossings in whispering gallery microresonators“, Opt. Express 25, 762 (2018)
C. S. Werner, B. Sturman, E. Podivilov, S. Kini Manjeshwar, K. Buse, I. Breunig
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OE.26.000762) - „Quasi-phase-matched self-pumped optical parametric oscillator in a micro-resonator“, Opt. Express 26, 10813 (2018) 2
S. J. Herr, C. S. Werner, K. Buse, I. Breunig
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OE.26.010813)
