Nichtlinearer Spiegel Supersandwich verdoppelt Laser-Frequenz eine Million mal besser

Redakteur: Peter Koller

Wissenschaftler in Deutschland und den USA haben einen optischen Baustein entwickelt, dessen nur 400 Nanometer dicke Schicht verschiedenste Frequenzen für Laser-Anwendungen verdoppeln kann und eine Million mal effizienter ist als traditionelle nichtlineare optische Materialien.

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ein nur 400 Nanometer dicker, nichtlinearer Spiegel aus knapp 100 Halbleiterschichten mit spezieller Struktur verdoppelt die Frequenz des eingestrahlten Lichts
ein nur 400 Nanometer dicker, nichtlinearer Spiegel aus knapp 100 Halbleiterschichten mit spezieller Struktur verdoppelt die Frequenz des eingestrahlten Lichts
(University of Texas, Austin)

Laser haben sich für viele Anwendungen fest etabliert. Doch noch immer gibt es Wellenlängen, für die es keine oder nur sehr große und teure Systeme gibt. Andererseits werden für die Sensorik und für medizinische Anwendungen kompakte Lasersysteme gesucht, beispielsweise für Wellenlängen vom nahen Infrarot bis in die Terahertz-Region.

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Forscher der Technischen Universität München und der University of Texas in Austin (USA) haben nun einen nur 400 Nanometer dicken nichtlinearen Spiegel entwickelt, der die Frequenz des eingestrahlten Lichts verdoppelt. Dafür reicht eine Eingangslichtintensität wie die eines Laserpointers. Gemessen an der Eingangsintensität und der Strukturdicke sind die neuen optischen Bausteine etwa eine Million mal effizienter als die besten herkömmlichen nichtlinearen Materialien.

Während beim Einsatz konventioneller Materialien mit nichtlinearen optischen Eigenschaften die Phasengeschwindigkeiten der Eingangs- und Ausgangswellen genau abgestimmt werden müssen, entfällt diese Einschränkung bei dem neuen Material. Seine Gesamtdicke ist deutlich kürzer ist als die Wellenlänge.

Supersandwich aus 100 Schichten

Das Wundermaterial der Physiker besteht aus einer Abfolge dünner Schichten aus Indium, Gallium und Arsen einerseits und Aluminium, Indium und Arsen andererseits. Knapp 100 dieser Schichten, jede zwischen einem und zwölf Nanometer dick, stapeln sie übereinander. Auf der Oberfläche befindet sich ein Muster aus asymmetrischen, kreuzartigen Strukturen aus Gold, auf der Unterseite eine durchgängige Goldschicht. Mit der Schichtdicke und der Oberflächenstruktur besitzen die Forscher zwei Stellschrauben, mit denen sie die Struktur auf die jeweilige Wellenlänge präzise maßschneidern können.

Licht mit 8000 Nanometern Wellenlänge verwandelt das Material in Licht mit 4000 Nanometern Wellenlänge. „Mit Laserlicht in diesem Frequenzbereich lassen sich beispielsweise Gassensoren für die Umwelttechnik bauen“, sagt Frederic Demmerle, Mitarbeiter des Projekts am Walter Schottky Institut der TU München.

Kleiner als die Wellenlänge

Die Fähigkeit, die Frequenz eines Lichtstrahls zu verdoppeln, beruht auf den speziellen elektronischen Eigenschaften des Materials. Weil die Halbleiterschichten nur wenige Nanometer dick sind, können die von den elektromagnetischen Schwingungen des Lichts angeregten Elektronen nur noch ganz bestimmte Zustände einnehmen. „Eine solche Struktur nennen wir gekoppelte Quantentöpfe“, sagt Frederic Demmerle. „Indem wir nun in einem exakt definierten Abstand eine weitere dünne Schicht folgen lassen, können wir diese Zustände zusammenschieben oder auseinander ziehen und damit genau auf die gewünschte Wellenlänge einstellen.“

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