Hocheffiziente Frequenzverdopplung Nichtlineare Metamaterialien für die Lasertechnik

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. Abhilfe könnte nun ein nichtlinearer Spiegel schaffen, dessen nur 400 nm dicke Schicht die Frequenz des eingestrahlten Lichts verdoppelt und dabei hinsichtlich Eingangsintensität und Strukturdicke etwa eine Million mal effizienter sein soll als die besten herkömmlichen nichtlinearen Materialien.

Das Material, das Forscher der TU München und der University of Texas gemeinsam entwickelt haben, 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 die Wissenschaftler 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.

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. Licht mit 8000 nm Wellenlänge verwandelt das Material in Licht mit 4000 nm Wellenlänge. Mit Laserlicht in diesem Frequenzbereich lassen sich beispielsweise Gassensoren für die Umwelttechnik bauen.

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, Mitarbeiter des Projekts am Walter Schottky Institut der TU München. »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.«

Kleiner als die Wellenlänge

Einen wichtigen Anteil an der hohen Effizienz des Bausteins hat das von den Forschern an der University of Texas entwickelte Muster aus asymmetrischen, kreuzförmigen Goldstrukturen. Das Design dieser Strukturen können die Forscher optimal auf maximale Resonanz mit den Ein- und Ausgangsfrequenzen abstimmen. Die Muster sind zwar wesentlich kleiner als die Wellenlänge des Lichts, doch die regelmäßige metallische Struktur sorgt dafür, dass das Licht in das Material einkoppelt. Ihre besondere Form führt dazu, dass es an bestimmten Stellen starke Feldüberhöhungen gibt, die die Einkopplung noch verstärken. »Es ist diese spezifische Kombination von Halbleitermaterial und Gold-Nanostrukturen, die die extrem große nichtlineare Reaktion produziert«, so Demmerle.

In Zukunft wollen die Physiker nach diesem Muster weitere Materialien für andere nicht-lineare Effekte entwickeln. »Denkbar ist neben der Frequenzverdopplung auch die Frequenzhalbierung sowie die Erzeugung von Summen- oder Differenzfrequenzen«, sagt Jongwon Lee, Forscher an der University of Texas. »Mit solchen Bausteinen ließe sich dann beispielsweise Terahertz-Strahlung erzeugen und detektieren.«