Laser-aktive adiabatische Frequenzkonverter

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Ingo Breunig
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 513075543

Im Rahmen des Projektes sollen optische Resonatoren realisiert und untersucht werden, die Licht für Zeiten im Millisekunden-Bereich und darüber hinaus speichern können. Basierend auf diesen Resonatoren planen wir den Konzeptnachweis eines mechanisch getriebenen optischen Frequenzkonverters, der das Potenzial hat, eingestrahltes Laserlicht in der Frequenz um 10 THz (50 nm im nahen Infrarot) mit 100 % interner Effizienz zu verstimmen. Typischerweise haben qualitativ hochwertige optische Resonatoren Abklingzeiten im Bereich einiger hundert Nanosekunden. Wir planen, diesen Wert auf das zehntausendfache zu erhöhen, also bis in den Millisekunden-Bereich. Das kann durch die Dotierung des Resonatormaterials mit laser-aktiven Ionen und optisches Pumpen gelingen: Durch die optische Verstärkung werden die Verluste für das umlaufende Licht, dessen Frequenz wir ändern wollen, kompensiert. Im Idealfall sollten ich so beliebig lange Abklingzeiten realisieren lassen. Das ginge einher mit beliebig kleinen Linienbreiten und beliebig großen Leistungsüberhöhungen. Die grundsätzliche Idee, den Verlust für umlaufendes Licht in einem Resonator durch Laserverstärkung auszugleichen, steht zwar seit längerem im Raum. Aber systematische Untersuchungen zur Erhöhung der Abklingzeit und zu den fundamentalen Grenzen des Konzepts gibt es bisher nicht. Das eigentliche Durchstimmen des Laserlichts soll dann auf adiabatischer Frequenzkonversion basieren, deren akustisches Analogon wohlbekannt ist: Zupft man eine Gitarrensaite und variiert deren Länge während der Abklingzeit, verändert sich die Tonhöhe. Dieses Prinzip lässt sich auf die Optik übertragen: Hier koppelt man Licht in einen Resonator ein und variiert dessen optische Länge während der Abklingzeit. Die Frequenz des im Resonator zirkulierenden Lichts folgt der sich verändernden Resonanzfrequenz. Diese Art der Frequenzkonversion hat deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden. So beträgt die Effizienz 100 %, unabhängig von der Lichtintensität, und der Prozess funktioniert universell ohne Phasenanpassung und ohne Modensprünge. Mit den in diesem Projekt untersuchten Resonatoren mit Abklingzeiten im Millisekundenbereich kommt erstmals die mechanische Verstimmung der Resonatorlänge für adiabatische Frequenzkonversion in Betracht. Dadurch könnten Frequenzverstimmungen erreicht werden, die den Stand der Technik um zwei Größenordnungen übertreffen. Wir erwarten durch dieses Projekt einen starken Impuls für die wissenschaftliche Untersuchung, die technische Entwicklung und auch die Anwendung optischer Resonatoren. Mit Abklingzeiten im Millisekunden-Beriech und darüber hinaus bieten sie für weitere Forschungsgebiete neue Möglichkeiten. Durch die ultra-schmale Linienbreite, weniger als 1 kHz, die mit der langen Abklingzeit einhergeht, sind sie zum Beispiel für sensorische Anwendungen interessant, bei denen die Linienbreite die Detektionsgrenze bestimmt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen