Frequenzkämme in Mikroresonatoren Licht und Schatten, vereint für bessere Sensoren

Helle und dunkle Lichtpulse vereinen sich in mikroskopisch kleinen Glasscheiben zu einem so genannten Frequenzkamm. Mit dieser Technik könnten empfindliche Sprengstoffsensoren und andere leistungsstarke Spektroskopie-Methoden entwickelt werden.

Erlangen – Es klingt nach Zauberei: Laserlicht mit genau einer Farbe erzeugt einen Regenbogen vieler verschiedener Farben. Forscher können diesen außergewöhnlichen Effekt in Mikroresonatoren erzeugen, kleinen Scheiben aus Glas. Schicken sie einen gepulsten Laserstrahl in diese Strukturen, beginnen Wellenpakete in ihrem Inneren zu kreisen – und senden dabei Licht aus, das sich aus verschiedenen, exakt aufgereihten Frequenzen zusammensetzt, so wie die Zinken eines Kamms. Für die Erfindung des optischen Frequenzkammes erhielt Theodor W. Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik 2005 den Nobelpreis in Physik.

Jetzt haben Forschungsteams vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL) und vom Imperial College in London einen noch ungewöhnlicheren Effekt erzielt: Indem sie zwei Laserstrahlen mit leicht versetztem infrarotem Licht auf die äußere Kante der Mikroresonatoren lenkten, erhielten sie zwei Wellenpakete, Solitonen genannt: ein helles und ein dunkles, die sich kreisförmig bewegen. Bei einem dunklen Lichtpuls verringert sich schlagartig die Intensität des Lichts für einen sehr kurzen Moment. Die Lichtpulse sind nur den 1/10.000.000.000.000 Teil einer Sekunde lang.

Für Sprengstoff-Sensoren, autonomes Fahren und mehr

Beide Lichtpulse koppeln sich aneinander und bleiben im Mikroresonator gefangen. Das Paar erzeugt einen breiten Lichtkamm aus hunderten präzise definierten Frequenzen. „Damit verfügen wir über mehr Frequenzen, um etwa Informationen in einer Glasfaser zu übertragen“, beschreibt Pascal Del’Haye, Leiter der unabhängigen Forschungsgruppe Mikrophotonik am MPL, eine mögliche Anwendung in der Telekommunikation. Er und seine Kollegen haben kürzlich ihre Ergebnisse im Fachjournal „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Sensorik mit Frequenzkämmen

Vorreiter für Spektrometer im Briefmarkenformat

Die breiteren Frequenzkämme können etwa in der Spektroskopie genutzt werden, ein weiteres Einsatzgebiet für Mikroresonatoren, die sich in großen Stückzahlen mit ähnlichen Verfahren wie Computerchips herstellen lassen. Sie können beispielsweise in Sensoren Sprengstoffe an Flughäfen aufspüren oder die Luftqualität messen. Zurzeit arbeitet der Luft- und Raumfahrtkonzern Airbus gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut daran, mit Mikroresonatoren erzeugte Frequenzkämme für Messungen von Satelliten aus zu verwenden. Eine weitere Anwendung sind Lidar-Systeme. Sie sind die Augen in autonomen Autos und ermöglichen ihnen, Fußgänger auf der Straße zu erkennen.

Originalpublikation: Shuangyou Zhang, Toby Bi, George N. Ghalanos, Niall P. Moroney, Leonardo Del Bino, and Pascal Del’Haye: Dark-Bright Soliton Bound States in a Microresonator, Phys. Rev. Lett. 128; DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.033901

* L. Kuhn, Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, 91058 Erlangen

(ID:47964517)