Effiziente Erzeugung kohärenter UV-Strahlung

Von den Grundlagen bis zum konkreten Produkt: In einem neuen inter­natio­nalen Forscher­verbund unter­sucht das Laser-Zentrum Hannover einen innova­tiven Ansatz zur Erzeu­gung der „Dritten Harmo­nischen“. Diese kohärente Strahlung im ultra­vio­letten Spektral­bereich lässt sich bisher nur mit hohem Aufwand gene­rieren. Ob dies zukünftig mit Hilfe dielek­trischer Schicht­systeme mit einer Konver­sions­effi­zienz von mindestens 15 Prozent gelingen kann, wird nun unter­sucht. Anschlie­ßend nimmt das Forscher­team auch die Skalier­bar­keit und das Markt­poten­zial des neuen Verfahrens ins Visier.

Effizientere Verfahren zur Erzeugung extrem kurzer Laserpulse spielen eine wichtige Rolle bei der weiteren Erfor­schung der Grund­lagen der Laser­physik. Gegen­wärtig ist eine Viel­zahl von Appli­ka­tionen in den Bereichen der Medizin, Verfahrens- und Mess­technik sowie in der Forschung etab­liert. Insbe­sondere sind der vergleich­bar große Aufwand und die damit verbun­denen Kosten sowie die oft­mals limi­tierte Lebens­dauer der nicht­linearen Konver­sions­kristalle kritische Faktoren, die einer weiten Verbrei­tung der Techno­logie ent­gegen­stehen.

Anders als bei konventionellen Methoden setzt der THG-Schicht-Verbund auf dielek­trische Schicht­systeme. Bestehende Verfahren hingegen nutzen im ersten Schritt nicht­lineare Kristalle zur Frequenz­ver­dopp­lung und erzeugen dann im zweiten Schritt durch Mischung mit der Laser­frequenz die Dritte Harmo­nische. Die zwei einge­setzten Kristalle sind mit äußer­ster Präzi­sion zu fertigen, zu beschichten und bei der Konver­sion auf stabile Bedin­gungen zu regeln. Deshalb sind diese Verfahren relativ kosten­intensiv.

Dank großer Fortschritte in den letzten Jahren besitzen optische Beschich­tungen heute ein deut­lich höheres techno­lo­gisches Poten­zial. Die viel höhere Präzi­sion bei der Herstel­lung sowie die geziel­tere Ausnut­zung von Nicht­linea­ri­täten und anderen Funktion­seigen­schaften eröffnen völlig neue Wege. Dass der Verfahrens­ansatz mittels dielek­trischer Schichten funktio­niert, konnte bereits belegt werden. Aller­dings versprach man sich davon auf­grund der geringen Dicke der optischen Beschich­tungen keine aus­rei­chende Steige­rung der Konver­sions­effi­zienz. Genau hier setzt THG-Schicht an: Durch eine geschickte Wahl der Schicht­folge und der Beschich­tungs­materi­alien wollen das Institut für Quanten­optik der Uni Hannover, das Depart­ment of Physics der Univer­sity of New Mexico und die Abtei­lung Laser­kompo­nenten des LZH die Effizienz der Methode signi­fikant steigern.

Durch eine spezielle Schichtkonfiguration erzeugt das neue Verfahren die „Dritte Harmo­nische“ in einem einzigen Prozess­schritt. Die optischen Schichten bilden dabei eine perio­dische Struktur, die eine phasen­ange­passte Verstär­kung bewirkt und so eine effi­ziente Konversion ermög­licht. Solche direkten Konver­sions­prozesse lassen sich mit konven­tio­nellen Kristallen auf­grund der erfor­der­lichen Material­eigen­schaften nur mit sehr kleinen Umwand­lungs­raten im Bereich von Bruch­teilen eines Prozents reali­sieren. Gelingt es dem Forscher­verbund schließ­lich, mittels optischer Dünn­schicht­systeme effek­tive und lang­zeit­stabile Konver­sions­prozesse umzu­setzen, könnten sie damit lang­fristig zahl­reiche neue Anwen­dungs­felder erschließen.

LZH / RK