Spiegel als Frequenzverdoppler für Licht

9. Juli 2014, 11:45 Uhr
Spiegel als Frequenzverdoppler für Licht
Spiegel als Frequenzverdoppler für Licht

Forscher der Technischen Universität München und der University of Texas in Austin (USA) haben nun einen nur 400 nm dicken nichtlinearen Spiegel entwickelt, der die Frequenz des eingestrahlten Lichts verdoppelt. Dafür reicht schon die Lichtstärke eines Laserpointers. Dabei 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 dies beim neuen Material. Seine Gesamtdicke ist deutlich kürzer als die Wellenlänge. 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 1 und 12 nm dick, werden dabei übereinander gestapelt. 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 einer Wellenlänge von 8 µm wird in Licht mit 4 µm verwandelt. Damit lassen sich beispielsweise Gassensoren für die Umwelttechnik bauen. Weil die Halbleiterschichten nur wenige nm dick sind, können die vom Licht angeregten Elektronen nur noch ganz bestimmte Zustände einnehmen. Eine solche Struktur wird als gekoppelte Quantentöpfe bezeichnet.
In Zukunft wollen die Physiker nach diesem Muster weitere Materialien für andere nichtlineare Effekte entwickeln. Denkbar wären neben der Frequenzverdopplung auch die Frequenzhalbierung sowie die Erzeugung von Summen- oder Differenzfrequenzen. Mit solchen Bausteinen ließe sich dann sogar Terahertz-Strahlung erzeugen und detektieren.

Bild: University of Texas, Austin

Artikel in der Zeitschrift „nature“

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