Optomechanisch induzierte Transparenz gefunden

  • 15. November 2010

Forscher haben die optomechanische Entsprechung zur elektromagnetisch induzierten Transparenz beobachtet.

Die elektromagnetisch induzierte Transparenz (EIT) ist ein nichtlinearer optischer Effekt, bei dem die Lichtdurchlässigkeit eines Materials durch Licht beeinflusst wird. Das zunächst für einen Probenstrahl undurchlässige Material wird transparent, wenn es von einem Kontrollstahl beleuchtet wird. Die damit einhergehende schnelle Änderung des Brechungsindex nutzt man u. a. dazu, Lichtpulse auf einige Meter pro Sekunde abzubremsen oder ganz zum Stillstand zu bringen. Das optomechanische Analogon zur EIT haben jetzt Forscher um Tobias Kippenberg an der Ecole Polytechnique Federale de Lausanne mit einem Mikroresonator verwirklicht.

Abb.: Der Kontrollstrahl regt den Mikroresonator zu mechanischen Schwingungen an, wodurch eine destruktive Interferenz den Probenstrahl im Resonator auslöscht und die Glasfaser transparent wird. (Bild: Stefan Weis et al., Science)

Die induzierte Transparenz (elektromagnetische wie optomechanische) beruht auf der quantenmechanischen Interferenz in einem Dreiniveausystem in „Λ-Anordnung“. Dabei treibt der intensive Kontrollstrahl mit der Frequenz ωc den Übergang zwischen den Zuständen |3> und |2>, der dem linken „Bein“ des Λ entspricht, während der viel schwächere Probenstrahl mit der Frequenz ωp den Übergang zwischen den Zuständen |1> und |2> treibt, der das rechte „Bein“ des Λ bildet. Der direkte Übergang zwischen |1> und |3> ist verboten. Wenn ωc und ωp auf die Frequenzen der entsprechenden Übergänge abgestimmt sind, tritt eine destruktive Interferenz auf, die die Anregung des Zustands |2> verhindert und damit das Material transparent für den Probenstrahl macht.

Während bei der EIT atomare oder molekulare Übergänge genutzt werden, deren Frequenzen vorgegeben sind, spielen bei der OMIT (optomechanisch induzierten Transparenz) mechanische Schwingungen in einem Mikroresonator eine Rolle. Dadurch wird es möglich, die induzierte Transparenz maßzuschneidern und auch in bisher unzugänglichen Frequenzbereiche hervorzurufen.

Kippenberg und seine Kollegen haben einen pilzförmigen Mikroresonator hergestellt, in dessen kreisrunder Krempe optische Flüstergaleriemoden angeregt werden konnten. Dazu wurde das Licht des Kontroll- und des Probenstrahls durch eine Glasfaser, die die Krempe berührte, in den Resonator eingekoppelt. Anschließend haben die Forscher die frequenzabhängige Intensität des Probenstrahls in der Faser gemessen, nachdem er den Resonator passiert hatte. Als sich ωp einer bestimmten Resonanzfrequenz näherte, nahm die Intensität zunächst stark ab, doch unmittelbar an dieser Frequenz nahm sie dramatisch zu. Die an den Resonator gekoppelte Faser war wieder transparent geworden.

Die OMIT kam dadurch zustande, dass der intensive Kontrollstrahl durch seinen Strahlungsdruck den Resonator zu mechanischen Schwingungen mit der Frequenz ωm anregte. Die Kopplung zwischen den elektromagnetischen und den mechanischen Schwingungen des Resonators erzeugte Lichtwellen mit der Differenzfrequenz ωc – ωm. Stimmte diese Frequenz mit der Frequenz des Probenstrahls überein (ωp = ωc – ωm), so wurde der Probenstrahl im Resonator durch destruktive Interferenz ausgelöscht. So konnte keine Intensität des Probenstrahls aus der Faser in den Resonator abgegeben werden und dadurch verlorengehen. Die Faser war für den Probenstrahl transparent geworden.

RAINER SCHARF

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Weitere Literatur:

AL

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