Forschungsbericht 2012 - Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts

Faseroptik in neuen Gefilden: Kurze Wellenlängen und hohe Intensitäten

Autoren
Hölzer, Philipp; Nold, Johannes; Travers, John C.; Russell, Philip St. J.
Abteilungen
Abteilung Photonics and New Materials (Philip St. J. Russell)
Zusammenfassung
Mikrostrukturierte photonische Kristallfasern eröffnen einzigartige Perspektiven, Licht über lange Distanzen in Hohlkernen zu leiten. Dies kann genutzt werden, um die nichtlineare Wechselwirkung von Licht und Atomen unter extremen Bedingungen zu untersuchen. Exemplarisch werden hier zwei Ergebnisse vorgestellt: die Erzeugung ultravioletten Lichts und die Ausbreitung von Lichtpulsen in photoionisierten Gasen.

Einleitung

Photonische Kristallfasern (photonic crystal fibre: PCF) [1-4] sind ideal, um nichtlineare Wechselwirkungen von Licht und Materie zur Geltung zu bringen. Der Mantel dieser Fasern besteht – statt des üblichen homogenen Materials – aus einer periodischen Anordnung von Löchern in einer Glasmatrix. In Anlehnung an kristalline Festkörper wird dieses Arrangement als photonischer Kristall bezeichnet. Diese Fasern eröffnen neue Möglichkeiten, Licht in Raum und Zeit zu konzentrieren und dadurch neue nichtlineare Phänomene zu untersuchen. Als Paradebeispiel kann hier die Generation von extrem hellen Weißlichtquellen angeführt werden, die bereits viele Anwendungen gefunden haben.

Richtig spannend wird es, wenn diese Möglichkeiten genutzt werden, um die Wechselwirkungen von Licht mit Gasen niedriger Dichte (und damit schwachen intrinsischen Nichtlinearitäten) zu maximieren. Anders als konventionelle Glasfasern erlauben PCFs Wellenleitung auch dann, wenn der Brechungsindex im Faserkern geringer ist als im Mantel. Durch die Mikrostrukturierung im Fasermantel können Interferenzeffekte so ausgenutzt werden, dass photonische Bandlücken oder Stoppbänder entstehen, die Licht in gasgefüllten Hohlkernen gefangen halten.

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<!-- @font-face { font-family: "Cambria"; }@font-face { font-family: "?????? Pro W3"; }p.MsoNormal, li.MsoNormal, div.MsoNormal { margin: 0cm 0cm 6pt; text-align: justify; font-size: 11pt; font-family: Cambria; color: rgb(89, 89, 89); }.MsoChpDefault { font-size: 10pt; }div.WordSection1 { page: WordSection1; } --> Querschnitt einer Kagomé-Faser

Die Wechselwirkung von Atomen mit Pulsen, die nur wenige Femtosekunden lang sind, lässt sich besonders vorteilhaft in Kagomé-PCFs untersuchen. Sie besitzen eine geringe Dispersion, nahezu verlustlose und spektral breitbandige Lichtübertragung über die hier verwendeten Faserlängen (20–40 cm), und erlauben Pulspropagation bei hohen Intensitäten. Eine typische Faser ist in Abbildung 1 gezeigt. Füllt man den Hohlkern dieser Fasern mit Argon, so lassen sich neuartige nichtlineare Effekte beobachten. Dies soll nachfolgend anhand von zwei Beispielen gezeigt werden. Nahinfrarotes Licht kann effizient in den ultravioletten (UV) Spektralbereich konvertiert werden. Weiterhin bieten diese Fasern die Möglichkeit, Licht bei extrem hohen Intensitäten zu führen – so hoch, dass Atome ionisiert werden.

Nichtlineare Faseroptik

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Erzeugung von ultraviolettem Licht

Extreme nichtlineare Effekte treten auf, wenn Licht hoher Intensität mit Materie interagiert. Erhöhte Intensitäten lassen sich durch Pulskompression erreichen. Hierbei wird die ursprüngliche Leistung auf ein vielfach kürzeres Zeitintervall konzentriert, sodass sich die Spitzenintensität erhöht. In gasgefüllten PCFs wird quasi automatisch ermöglicht, was hierzu erforderlich ist: Umso kürzer ein Puls werden soll, desto mehr Frequenzen müssen sich mit gleicher Phase überlagern. Ist die Leistung des Eingangspulses hoch genug, treten Nichtlinearitäten auf: Der Brechungsindex erhöht sich mit Zunahme der momentanen Intensität. Erhöht sich der Brechungsindex auf der steigenden Flanke des Pulses, so tritt eine Phasenverzögerung auf und es entstehen niedrigere Frequenzen. Analog werden höhere Frequenzen erzeugt, wenn der Brechungsindex auf der fallenden Flanke wieder auf den Ausgangswert zurückfällt. Hierdurch wird der Puls spektral verbreitert. Gleichzeitig wirkt die anomale Dispersion dem Phasenversatz der Frequenzen entgegen, da hier höhere Frequenzen mit einer höheren Gruppengeschwindigkeit propagieren als niedrigere. Heben sich nichtlineare Effekte und anomale Dispersion an bestimmten Punkten entlang der Faser genau auf, kann ein Puls so kurz sein, dass er nur wenig mehr als eine Schwingung lang ist. Man bezeichnet diesen Mechanismus als Solitonenkompression. Abbildung 2 zeigt, dass die Kompression im Labor leicht sichtbar gemacht werden kann – durch die nachfolgend beschriebene Erzeugung von UV-Strahlung.

Erzeugung ultravioletter Strahlung

Der eben beschriebene Mechanismus kann zur Erzeugung ultravioletter Strahlung ausgenutzt werden. Die Erzeugung von ultraviolettem Licht, insbesondere von sehr kurzen Pulsen, ist in Festkörpern schwierig, da diese im UV-Bereich stark absorbieren. Hohlkern-PCFs, gefüllt mit einem im UV-Bereich transparenten Medium, schaffen Abhilfe. Licht besitzt nur minimalen Überlapp mit der Glasstruktur und propagiert hauptsächlich im gasgefüllten Kern der Faser.

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UV-Wellenlängen

Die spektrale Verbreiterung, die mit oben beschriebener Pulskompression einhergeht, führt dazu, dass sich das ursprünglich nahinfrarote Spektrum bis in den UV-Bereich ausdehnt. Diese Frequenzkomponenten sind anfänglich sehr schwach. Allerdings kann ein bestimmtes Frequenzintervall dramatisch verstärkt werden, wenn der nahinfrarote Pumppuls und das zu verstärkende UV-Signal phasenangepasst propagieren, d. h. den selben Brechungsindex besitzen. Im linearen Fall ist der Brechungsindex im UV-Bereich höher als im nahinfraroten. Da der Brechungsindex der Pumpfrequenz allerdings durch die Nichtlinearität angehoben wird, kann unter Umständen optimaler Energieübertrag erfolgen. Dieser Mechanismus wird häufig Resonante Strahlung (engl. resonant radiation) genannt. Da sich durch Variation des Gasdrucks die Brechungsindexverteilung kontrollieren lässt, kann das verstärkte Frequenzintervall nahezu beliebig im ganzen Bereich des Fern-Ultraviolett durchgestimmt werden. Experimentell konnte gezeigt werden, dass in mit Argon gefüllten PCFs fast ein Zehntel der aufgewendeten Leistung in UV-Licht umgewandelt werden kann [5]. Die experimentellen Ergebnisse in Abbildung 3 zeigen die Durchstimmbarkeit über den gesamten Bereich des Fern-UV. Numerische Berechnungen demonstrieren, dass darüber hinaus sogar Licht im Vakuum-UV erzeugt werden kann.

Obwohl diese Technik gerade ein Jahr alt ist, lassen die Kompaktheit und die einfache Handhabung dieses Systems bereits erste Anwendungen greifbar erscheinen. Die spektral durchstimmbaren Femtosekundenpulse dieses Systems sollen genutzt werden, um Moleküle spektroskopisch zu untersuchen. Weiterhin können diese Pulse zum seeding eines Freie-Elektronen-Lasers verwendet werden, um dessen Kohärenzeigenschaften zu verbessern.

Photoionisation in Fasern

Man kann noch einen Schritt weitergehen und durch die oben beschriebene Pulskompression die Spitzenintensität des Pulses so weit erhöhen, dass die Atome ionisiert werden können [6-8]. Obwohl die Photonenenergie des nahinfraroten Pulses zirka 11 mal kleiner als die Ionisationsenergie des hier verwendeten Argon ist, kann Ionisation bei genügend hoher Intensität erfolgen. Solche Prozesse sind, für sich genommen, ein aktives Forschungsfeld und werden zur Erzeugung kohärenter Röntgenstrahlung sowie von Attosekundenpulsen genutzt. Typischerweise werden hier Pulse mit hoher Intensität eingesetzt, die nur wenige Lichtzyklen kurz sind – Pulse, wie sie in gasgefüllten PCFs routinemäßig erzeugt werden können. Kein anderes Fasersystem bietet diese Möglichkeit, da in Festkörpern Ionisation gleichbedeutend mit der Zerstörung des Materials ist.

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Entstehungsgeschichte eines blauverschobenen Pulses

Ionisation in der Faser lässt sich experimentell nachweisen. Senkt man, verglichen mit den Experimenten im UV-Bereich, den Gasdruck in der Faser, wird die phasenangepasste Erzeugung ultravioletter Strahlung vermieden. Jegliche Leistung kommt dem Pumppuls zugute, um die höchstmögliche Spitzenintensität zu erreichen.

Ist die Leistung nun so hoch, dass Atome ionisiert werden, wird die weitere Pulsausbreitung stark durch die Anwesenheit von freien Elektronen beeinflusst. Diese senken den Brechungsindex. Da sich die Anzahl der freien Elektronen mit zunehmender Intensität des Pulses erhöht, propagiert der Puls in einem Medium mit zeitlich abnehmendem Brechungsindex. Aufgrund des diesmal abnehmenden Brechungsindex werden allerdings höhere (blaue) Frequenzen zuerst generiert (Abb. 4). Da nun aber die Rekombinationszeit von Elektronen viel länger als die Pulsdauer ist, steigt der Brechungsindex nicht wieder an, sodass keine niedrigeren Frequenzen auf der fallenden Flanke erzeugt werden. Unterm Strich bleibt eine spektrale Blauverschiebung, d. h. eine Verschiebung zu höheren Frequenzen.

Untersucht man nun diesen Effekt über die in Fasern möglichen, längeren Ausbreitungsdistanzen, lässt sich ein neuer Effekt beobachten. Die blauverschobenen Frequenzen bilden einen neuen Puls, der sich allmählich vom Ausgangspuls abspaltet. Da sich Nichtlinearitäten und anomale Dispersion genau ausbalancieren, bleibt über die gesamte Propagation hinweg die Pulsform erhalten – allerdings bei blauverschobener Trägerfrequenz.

Fazit

Die Experimente zur Erzeugung von UV-Strahlung sowie zur Photoionisation zeigen, dass sich die nichtlineare Faseroptik heute an der Schnittstelle von Ultrakurzpulsphysik, nichtlinearer Optik und Hochfeldphysik befindet. Es bleibt spannend zu sehen, inwieweit diese Disziplinen noch von den Möglichkeiten photonischer Kristallfasern beeinflusst werden können.

1.
Russell, P. St. J.
Photonic crystal fibers
Science 299, 358-362 (2003)
2.
Russell, P. St. J.
Photonic-crystal fibers
Journal of Lightwave Technology 24, 4729-4749 (2006)
3.
Russell, P. St. J.
Photonic crystal fiber
Optics and Photonics News 18, 26-31 (2007)
4.
Russell, P. St. J.
Photonic crystal fibers: A historical account
IEEE Lasers & Electro-Optics Society Newsletter 21, 11-15 (2007)
5.
Joly, N. Y.; Nold, J.; Chang, W.; Hölzer, P.; Nazarkin, A.; Wong, G. K. L.; Biancalana, F.; Russell, P. St. J.
Bright Spatially Coherent Wavelength-Tunable Deep-UV Laser Source Using an Ar-Filled Photonic Crystal Fiber
Physical Review Letters 106, 203901 (2011)
6.
Hölzer, P.; Chang, W.; Travers, J. C.; Nazarkin,  A.; Nold, J.; Joly, N. Y.; Saleh, M. F.; Biancalana, F.; Russell, P. St. J.
Femtosecond Nonlinear Fiber Optics in the Ionization Regime
Physical Review Letters 107, 203901 (2011)
7.
Chang, W.; Nazarkin, A.; Travers, J. C.; Nold, J.; Hölzer, P.; Joly, N. Y.; Russell, P. St. J.
Influence of ionization on ultrafast gas-based nonlinear fiber optics
Optics Express 19, 21018 (2011)
8.
Saleh, M. F.; Chang, W.; Hölzer, P.; Nazarkin, A.; Travers, J. C.; Joly, N. Y.; Russell, P. St. J.; Biancalana, F.
Theory of Photoionization-Induced Blueshift of Ultrashort Solitons in Gas-Filled Hollow-Core Photonic Crystal Fibers
Physical Review Letters 107, 203902 (2011)
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