'On-the-fly' Spektroskopie mit Diodenlaser und Frequenzkamm

MPQ Wissenschaftler erzielen hochpräzise optische Breitbandspektroskopie durch Anwendung der Frequenzkammtechnik auf durchstimmbare Diodenlaser.

Seit Generationen erfährt das Gebiet der optischen Spektroskopie hohe Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern, angefangen mit Joseph von Fraunhofers Entdeckung der dunklen Linien im Sonnenspektrum 1814, die Gustav Kirchhoff und Robert Bunsen 1859 mit der Lichtabsorption in Atomen und Molekülen erklärten. Im vergangenen Jahrzehnt erlebte die Spektroskopie geradezu eine Revolution durch die Erfindung der Frequenzkammtechnik, welche die erreichbare Präzision um ein Vielfaches steigerte. Nun haben Wissenschaftler um Tobias Kippenberg, Leiter der Gruppe "Laboratory of Photonics & Quantum Measurements" am MPQ und Tenure Track von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL), eine neuartige Messtechnik für breitbandige und schnelle Bestimmungen optischer Spektren entwickelt. Dabei übertragen sie die Genauigkeit der Frequenzkammtechnik auf leicht zu handhabende durchstimmbare Diodenlaser.

Bei durchstimmbaren Diodenlasern kann die Frequenz, d.h. Farbe des Laserlichts, stufenlos geändert werden um so ein charakteristisches Antwortspektrum des zu untersuchenden Objekts zu erhalten. Das betrifft sowohl die Untersuchung der Anregungsspektren von Gasatomen als auch die Absorptionseigenschaften von photonischen Bauelementen in der Nanophotonik. Die Durchstimmung des Diodenlasers allein erlaubt jedoch noch keine genaue spektroskopische Messung, solange man nicht zusätzlich die Frequenz des Diodenlasers zu jedem Zeitpunkt genau kennt. Hier kommt nun das neue Messsystem ins Spiel, das - unter Verwendung eines faserbasierten Frequenzkamms - eine instantane Kalibrierung des Diodenlasers erlaubt. Die Wissenschaftler erzielen dabei eine Genauigkeit von etwa 1 MHz, was, da die Frequenz des Laserlichts bei 200 THz liegt, einer relativen Genauigkeit von 5x10^-9 entspricht.

Als erste Anwendung der neuen Spektroskopiemethode untersuchten die Wissenschaftler Pascal Del'Haye und Arcizet die Absorptionsspektren von Chip-basierten monolithischen optischen Mikrotoroiden aus Quarzglas. Erstmals konnten damit deren Dispersionseigenschaften analysiert werden, da sich die extrem schmalen Absorptionslinien im Sub-Megahertz-Bereich nicht mit konventioneller Spektroskopie auflösen ließen. Numerische Rechnungen und experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die Modenstruktur der Mikrotoroide extrem gleichförmig ist, d.h., die verschiedenen optischen Anregungsmoden des Toroids liegen in fast exakt den gleichen Abständen zueinander.

Dieses überraschende Ergebnis folgt aus der räumlichen Verteilung der optischen Moden innerhalb des Resonators, die dazu führt, dass die "roten" Moden bei niedrigen Frequenzen stärker auf das Innere des Resonators beschränkt sind als die "blauen" Moden bei höheren Frequenzen. Dieser Unterschied wird jedoch zum Teil durch die frequenzabhängige Dispersion im Material kompensiert, wegen der rote Moden sich langsamer ausbreiten als blaue.

"Aufgrund der deshalb insgesamt geringen Modendispersion eignen sich Mikrotoroide sehr gut für viele Anwendungen in der Mikrophotonik, aber auch für die Erzeugung von Frequenzkämmen, bei der nichtlineare optische Effekte zu tragen kommen," bekräftig Tobias Kippenberg. Gemeinsam mit Max Planck Innovation hat seine Gruppe die neue Technik zum Patent angemeldet.[PD]/Olivia Meyer-Streng

Max-Planck-Institut für Quantenoptik

AL