Forschung

Frequenzverdopplung mit Mikrokügelchen

14.10.2020 - Kügelchen aus ungeordneten Nanokristallen eignen sich als breitbandige Frequenzverdoppler.

Methoden, mit denen die Wellenlänge von Licht verändert werden kann, sind in modernen optischen Anwendungen von großer Bedeutung. Dazu benötigt man nichtlineare Kristalle. In diesen Kristallen kann zum Beispiel aus zwei Photonen einer bestimmten Frequenz ein Photon mit der doppelten Frequenz entstehen, also etwa aus zwei roten Photonen ein blaues.

 

Damit das funktioniert, muss das Licht allerdings in der Regel in einer ganz bestimmten Richtung und mit einer bestimmten Polarisierung auf den Kristall treffen. Diese Phasen­anpassung schränkt die Anwendungsmöglichkeiten oft empfindlich ein. Forscher um Rachel Grange am Institut für Quantenelektronik der ETH Zürich haben nun gemeinsam mit der Arbeitsgruppe von Lucio Isa am Departement für Material­wissenschaft eine Methode entwickelt, mit der sich eine effiziente Frequenz­verdopplung auch ohne eine solche Feinabstimmung erreichen lässt und die gleichzeitig noch andere Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren aufweist.

Das Rezept der Forscher lässt sich etwa so zusammenfassen: Lieber klein als groß und besser durcheinander als geordnet. Das klingt rätselhaft, doch ein ebenso großes Rätsel war zunächst auch die Aufgabe, die sich Granges Team gestellt hatte. „Für eine bessere und vielseitiger anwendbare Frequenz­verdopplung wollten wir zwei Ansätze miteinander verbinden, die eigentlich nicht zusammenpassen”, sagt Romolo Savo, der als Postdoktorand im Rahmen eines Marie-Curie Stipendiums das Projekt leitete.

Beim ersten Ansatz benutzt man anstelle eines einzelnen großen Kristalls sehr viele, nur wenige Mikrometer große Mini-Kristalle, deren Kristallachsen in alle möglichen Richtungen zeigen. Dadurch muss nicht mehr streng auf die Richtung der einfallenden Licht­strahlen geachtet werden. Unter den vielen Mini-Kristallen werden immer einige sein, die günstig ausgerichtet sind, und andere, die ungünstig ausgerichtet sind, aber unter dem Strich kommt dennoch eine beträchtliche Menge an frequenz­verdoppeltem Licht heraus. „Es hört sich paradox an”, gibt Savo zu, „und einige unserer Kollegen fanden sie Idee, Unordnung auf diese Weise zu nutzen, etwas befremdlich – aber sie funktioniert!”

Der zweite Ansatz wiederum beruht auf der verstärkenden Wirkung von Resonanzen. Ist die Anordnung der Mini-Kristalle zum Beispiel kugelförmig mit einem Durchmesser, der in etwa der Wellenlänge des Lichts entspricht, so erhöht sich durch wiederholte Reflexion der Lichtwellen an den Kugelwänden die Licht­intensität im Innerem der Kugel um ein Vielfaches, und dadurch auch die Ausbeute an frequenz­verdoppeltem Licht. Um beide Effekte gleichzeitig optimal anzuwenden, wollten die Forscher daher ein ungeordnetes Kristallpulver zu mikro­metergroßen Kügelchen formen, um so den resonanten Verstärkungseffekt des Lichts auszunutzen. Die einzelnen Bariumtitanat-Kristalle, die sie dazu verwenden wollten, mussten sehr klein sein – nur etwa fünfzig Nanometer lang –, damit sie durchsichtig genug waren, um das Licht mehrmals passieren zu lassen und so Resonanzen in den Mikrokügelchen zu erzeugen.

„Wir hatten also diese Idee, aber keine Ahnung, wie wir die vielen winzigen Nanokristalle in perfekte Mikro­kügelchen verwandeln sollten”, sagt Savo. „Eines Tages trafen wir dann in der Kaffeepause Lucio Isa, erzählten ihm von unserem Problem, und er hatte gleich einen Tipp parat.” Isas Vorschlag war, das Nanokristall-Pulver in Wasser aufzulösen, die Wasser­lösung mit Öl zu mischen und das Ganze kräftig zu schütteln – ähnlich, wie man es bei einer Vinaigrette mit Essig und Öl machen würde. In der so hergestellten Emulsion bilden sich dann kleine Bläschen der Wasser-Kristall-Lösung, aus denen das Wasser nach und nach durch das Öl hindurch verdunstet. Übrig bleiben perfekt geformte Kügelchen aus ungeordneten Nanokristallen, also genau das, was Grange und ihre Mitarbeiter wollten. „Aus diesem Tipp entstand dann die Zusammen­arbeit mit Isas Arbeitsgruppe”, sagt Grange: „Solche spontanen, nicht geplanten Kollaborationen sind übrigens oft die fruchtbarsten. Natürlich haben wir Isas Rezept gleich ausprobiert.”

Und das Rezept funktionierte – sogar noch besser, als man es erwarten würde. „Die Frequenz­verdopplung mit den Kügelchen aus ungeordneten Nanokristallen funktioniert sowohl unabhängig von der Einfalls­richtung des Lichts als auch über eine große Spanne an Frequenzen. Damit ist sie wesentlich vielseitiger als die Frequenz­verdopplung mit herkömmlichen Kristallen”, erklärt Savo. Zudem erhielten die Forscher dieselbe Ausbeute an frequenz­verdoppeltem Licht bei siebzig Prozent weniger Material­einsatz. Im Gegensatz zu normalen Kristallen, bei denen ab einer bestimmten Größe die Licht­ausbeute nicht weiterwächst, stieg sie bei den Mikro­kügelchen weiter mit deren Volumen an.

Demnächst wollen Grange und ihre Kollegen die Methode noch weiter verbessern, zum Beispiel durch Einfügen eines Abstandhalters zwischen den Mikrokügelchen und der Glasscheibe, auf der sie ruhen. Dadurch sollen Licht­verluste minimiert werden. Auch an mögliche Anwendungen denken die Forscher bereits. Die Aussicht, aus einem simplen und billigen Nanokristall-Pulver leistungs­fähige nichtlineare Kristalle herzustellen, ist für Laser­technologien allgemein interessant. Außerdem kann man die Mikro­kügelchen über große Flächen verteilen. Damit könnten dann beispiels­weise neuartige Bildschirme hergestellt werden, die Bilder im Infrarot­bereich durch Frequenzverdopplung direkt in sichtbare Bilder umwandeln. Solche Bildschirme könnten in Überwachungskameras oder in den Lebens­wissenschaften zur Anwendung kommen.

ETHZ / DE

 

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