Gequetschtes und gestauchtes Licht
Neues Verfahren erlaubt die Frequenzvervielfachung durch einen externen Pumpstrahl.
Licht kann in vielen verschiedenen Güteklassen auftreten. Gemeinhin gilt Laserlicht als besonders hochwertiges Licht. Aber auch dieses unterliegt einem quantenmechanischen Photonenrauschen, das sich in einer statistischen Fluktuation der Photonenzahl ausdrückt. Dieses sogenannte Schrotrauschen lässt sich durchaus noch reduzieren, indem man die Amplitude möglichst gleichmäßig hält. Gemäß der Heisenbergschen Unschärferelation wird dann jedoch die Phase stärker verrauscht, was für die meisten Messungen aber kein Problem darstellt. Licht mit solch speziellen Eigenschaften wird auch „gequetschtes Licht“ genannt und eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungen, von der Lithographie über die Bildgebung bis hin zur Quantenkryptographie.
Abb.: Schwaches „gequetschtes“ Licht mit einer Wellenlänge von 1550 Nanometern fällt in einen speziellen Kristall. Dort tritt es mit einem intensiven Pumpstrahl von 810 Nanometern Wellenlänge in Wechselwirkung, wodurch sich seine Wellenlänge fast um einen Faktor drei verringert und seine Frequenz entsprechend vervielfacht. (Bild: C. E. Vollmer et al.)
Dank seines schwachen Rauschens ist gequetschtes Licht insbesondere für extrem präzise Längenmessungen von Interesse, wie sie etwa beim Nachweis von Gravitationswellen erforderlich sind. Doch bestand hierbei bislang das Problem, dass sich kurzwelliges gequetschtes Licht nur schwer erzeugen lässt. Eine gängige Technik wie die Frequenzverdopplung funktioniert nur bei starken elektromagnetischen Feldern und eignet sich deshalb nicht für schwaches gequetschtes Licht. Forscher des Albert-Einstein-Instituts für Gravitationsphysik in Hannover haben nun ein Verfahren ersonnen, auch solche Lichtquellen zu kürzeren Wellenlängen zu transformieren.
Sie speisten hierzu einen infraroten gequetschten Lichtstrahl in einen speziell beschichteten nichtlinearen Kristall. Dort ging dieses Licht von 1550 Nanometern Wellenlänge eine Wechselwirkung mit einem intensiven Pumpstrahl ein, dessen Wellenlänge bei 810 Nanometer lag. Der Pumpstrahl übertrug seine Energie auf die Photonen des gequetschten Lichtes, was zu neuen Photonen führte, deren Frequenz genau der Summe der beiden Lichtstrahlen entsprach. Das resultierende Licht besaß dementsprechend eine Wellenlänge von 532 Nanometern. Es büßte bei diesem Prozess zwar einen Teil seiner „Quetsch-Qualität“ ein; dafür konnten die Forscher bei der Quanten-Konversion eine Effizienz von 75 Prozent erzielen.
Abb.: Aufbau des Experiments (Bild: R. Schnabel, AEI)
Der Aufbau nutzt einen externen Hohlraum und lässt sich deshalb auch in andere Optiken integrieren. So bietet sich gequetschtes Licht etwa auch für die Quantenkryptographie an. Mit der neuen Methode ließen sich infrarote Strahlen, wie sie in Glasfasern verwendet werden, zur Speicherung in optische Wellenlängen umwandeln. Dies ist vor allem deshalb interessant, weil gerade bei kurzen Wellenlängen die Absorption in nichtlinearen Medien und die durch intensive Strahlung bewirkten Schäden stark zunehmen. Mit weiteren Verbesserungen wie etwa höheren Reflektivitäten an den Spiegeln hoffen die Forscher, noch deutlich stärker gequetschtes kurzwelliges Licht erzeugen zu können.
Dirk Eidemüller
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