Frequenzverdopplung in der Flüstergalerie

Mit einem kristallinen Mikroresonator haben deutsche Forscher die zweite Harmonische eines Laserstrahls mit unerreicht hoher Effizienz erzeugt.

Lichtdurchlässige Substanzen mit nichtlinearen optischen Eigenschaften können einen Teil des einfallenden Lichtes in kurzwelligeres Licht umwandeln. Zu einer bestimmten Anregungsfrequenz werden höhere Harmonische erzeugt, doch normalerweise nur mit sehr geringer Effizienz. Jetzt haben Forscher um Gerd Leuchs von der Universität Erlangen-Nürnberg mit einem speziellen Mikroresonator eine sehr effiziente Frequenzverdopplung für infrarotes Licht erreicht.

Der Resonator war ein kleiner Zylinder (R=1,9 mm, h=0,5 mm) aus kristallinem und mit MgO dotiertem Lithiumniobat, dessen Zylindermantel poliert und leicht konisch geschliffen war. Im Innern des Zylinders konnte das Licht nahezu verlustfrei am Zylindermantel entlang laufen, indem es am ihm vielfach totalreflektiert wurde. Es traten im Zylinder optische Moden auf, die den akustischen Schwingungen in einer Flüstergalerie entsprachen, wie man sie z. B. von der Kuppel der St. Pauls Kathedrale in London kennt.

Mit einem Diamantprisma wurde das linear polarisierte Licht eines Nd:YAG-Lasers von 1064 nm Wellenlänge in den Resonator eingekoppelt. Der Pumplaser hatte nur eine Leistung von etwa 30 µW. Da aber die Güte des Resonators größer als 10⁷ war und die Flüstergaleriemoden räumlich sehr stark konzentriert waren, baute sich im Innern des Resonators lokal eine so große Lichtintensität auf, dass sich die nichtlinearen optischen Eigenschaften des Kristalls bemerkbar machten. Es konnte zur Frequenzverdopplung kommen.

Damit eine frequenzverdoppelte Flüstergaleriemode tatsächlich erzeugt wurde, musste sie in Phase mit der anregenden Mode schwingen. Das war normalerweise nicht der Fall, da sich die beiden senkrecht zueinander polarisierten Moden unterschiedlich schnell im Kristall ausbreiteten. Da die beiden Ausbreitungsgeschwindigkeiten unterschiedliche Temperaturabhängigkeit hatten, konnten die Forscher die erforderliche Phasenanpassung dadurch erreichen, dass sie den Kristallzylinder auf eine bestimmte Temperatur erwärmten.

Anschließend variierten die Erlanger Wissenschaftler die Frequenz des anregenden Laserstrahls und analysierten das Licht, das über das Diamantprisma aus dem Kristallzylinder wieder ausgekoppelt wurde. Dabei zeigte es sich, dass frequenzverdoppeltes Licht mit einer Intensität auftrat, die 9 % der Pumpleistung entsprach. Die Effizienz der beobachteten Frequenzverdopplung war damit etwa 100 Mal größer als die Effizienz, die bei früheren Experimenten mit vergleichbarer Pumpleistung aber anderer Phasenanpassung erreicht worden war.

Mit dem Flüstergalerieresonator lässt sich also frequenzverdoppeltes Licht auch schon für sehr kleine Pumpleistungen mit geringem Pumprauschen erzeugen. Die Forscher hoffen, auf diese Weise eine kompakte und sehr effiziente Quelle für nichtklassisches, frequenzverdoppeltes Licht bauen zu können. Mit ihr ließen sich dann z. B. gequetschte Lichtzustände abstrahlen.

RAINER SCHARF

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  J. U. Fürst et al.: Naturally Phase-Matched Second-Harmonic Generation in a Whispering-Gallery-Mode Resonator. Phys. Rev. Lett. 104, 153901 (2010)
  dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.104.153901
  physics.aps.org/pdf/10.1103/PhysRevLett.104.153901.pdf (frei)
• Gruppe von Gerd Leuchs an der Universität Erlangen-Nürnberg und am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts:
  mpl.mpg.de/mpf/php/abteilung1/index.php

Weitere Literatur:

• Tobias J. Kippenberg: Second-harmonic generation in microresonators through natural phase matching. Physics 3, 32 (2010)
  physics.aps.org/articles/v3/32

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