Spiegel verdoppelt Lichtfrequenz

Laser haben sich für viele Anwendungen fest etabliert, doch nicht für alle gewünschten Frequenzen existieren auch geeignete Lasersysteme. Wissenschaftler um Jongwon Lee der University of Texas in Austin haben nun einen Spiegel mit speziellen optischen Eigenschaften entwickelt, der die Frequenz von eingestrahltem Licht verdoppeln kann und so auch bisher nicht verfügbare Wellenlängen zugänglich macht. Ihre Ergebnisse erschienen nun in der Zeitschrift „Nature“.

Anlage zur Produktion der dünnen Schichten

Der nichtlineare Spiegel ist nur vierhundert Nanometer dick und besteht aus einer Abfolge dünner Schichten aus Indium, Gallium und Arsen einerseits und Aluminium, Indium und Arsen andererseits. Knapp hundert dieser Schichten, jede zwischen einem und zwölf Nanometern dick, stapelt das Team übereinander. 
Auf der Oberfläche des Spiegels befindet sich ein Muster aus asymmetrischen, kreuzartigen Strukturen aus Gold, auf der Unterseite eine durchgängige Goldschicht. 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, also mit ihm in Wechselwirkung tritt.

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. „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“, erläutert Koautor Frederic Demmerle von der TU München.

Mit der Schichtdicke und der Oberflächenstruktur besitzen die Forscher zwei Stellschrauben, mit denen sie die Struktur auf die jeweilige Wellenlänge präzise maßschneidern können. Gemessen an der Eingangsintensität und der Strukturdicke sind die neuen optischen Bausteine etwa eine Million Mal effizienter als die besten herkömmlichen nichtlinearen Materialien.

In Zukunft wollen die Physiker nach diesem Muster weitere Materialien für andere nichtlineare Effekte entwickeln. „Denkbar ist neben der Frequenzverdopplung auch die Frequenzhalbierung sowie die Erzeugung von Summen- oder Differenzfrequenzen“, sagt Lee. Mit solchen Bausteinen ließe sich dann beispielsweise Terahertzstrahlung erzeugen und detektieren. Solche Strahlung lässt sich unter anderem in der Medizin anwenden, weil sie biologisches Gewebe nicht schädigt.