"On-the-fly" Spektroskopie mit Diodenlaser und Frequenzkamm
MPQ Wissenschaftler erzielen hochpräzise optische Breitbandspektroskopie durch Anwendung der Frequenzkammtechnik auf 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 5x10hoch-9 entspricht.
Als erste Anwendung der neuen Spektroskopiemethode untersuchten die Wissenschaftler Pascal Del'Haye und Dr. 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 Prof. Tobias Kippenberg. Gemeinsam mit Max Planck Innovation hat seine Gruppe die neue Technik zum Patent angemeldet.
Originalveröffentlichung: P. Del'Haye, O. Arcizet, M. L. Gorodetsky, R. Holzwarth & T. J. Kippenberg; "Frequency comb assisted diode laser spectroscopy for measurement of microcavity dispersion"; Nature Photonics, Advance Online Publication, August 2009
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