Flüstergalerieresonatoren aus Lithiumniobat: Optimierung der Güte und Frequenzstabilität - Physikalische Grenzen
Final Report Abstract
Lithiumniobat wird aufgrund seiner großen elektro-optischen und nichtlinear-optischen Koeffizienten seit Jahrzehnten für elektro-optische Modulatoren und zur optischen Frequenzkonversion eingesetzt. In den letzten Jahren ist ein neuer Weg zur Miniaturisierung optischer Komponenten aus Lithiumniobat eingeschlagen worden: die Verwendung des Materials als Flüstergalerieresonator. Mit Hilfe dieses Ansatzes sind millimetergroße optische Frequenzkonverter demonstriert worden, die bereits bei Eingangsleistungen im zweistelligen Mikrowatt-Bereich einige zehn Prozent Effizienz erreichen. Der Einsatzbereich von Flüstergalerieresonatoren aus Lithiumniobat hängt stark von der erreichbaren Güte und Frequenzstabilität ab. Im Rahmen dieses Projektes konnten wir zeigen, dass neben den fundamentalen Verlustmechanismen Interband-Übergang, RAYLEIGH-Streuung und Multiphononen- Absorption auch Verunreinigungen mit Eisen, Kupfer und Wasserstoff die Güte limitieren. Letztere können durch eine geeignete Wärmebehandlung deutlich verringert werden während die thermische Oxidation von Eisen keine Verbesserung der Güte ermöglicht. Die dazugehörige Absorptionsbande um 1 µm Wellenlänge wird durch eine andere ersetzt, die dem Kupfer zugeordnet werden kann. Ab Lichtleistungen im Milliwatt-Bereich stellt stimulierte RAMAN-streuung einen Verlustkanal für das umlaufende Licht mit bis zu 25 % Effizienz dar. Hier konnten wir eine zuvor unbekannte Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie nachweisen. Weiterhin kann bei außerordentlich polarisiertem Licht mit Wellenlängen zwischen 400 und 1000 nm Wellenlänge bereits bei 100 µW Eingangsleistung optisch-parametrische Oszillation auftreten. Die Frequenzstabilität wird für sichtbares Licht durch den photorefraktiven Effekt limitiert. Der lässt sich weitestgehend durch Dotierung mit 5 % MgO eliminieren. Weiterhin sorgen Temperaturschwankungen unter anderem über den pyroelektrischen Effekt für zeitliche Frequenzverschiebungen. Eine Temperaturstabilisierung im Millikelvin-Bereich schafft hier Abhilfe.
Publications
- “Structure of pump resonances during optical parametric oscillation in whispering gallery resonators”, Optics Letters 38, 3316 (2013)
I. Breunig, B. Sturman, A. Bückle, C. S. Werner, K. Buse
(See online at https://doi.org/10.1364/OL.38.003316) - „Whispering gallery modes at the rim of an axisymmetric optical resonator: Analytical versus numerical description and comparison with experiment“, Optics Express 21, 30683 (2013)
I. Breunig, B. Sturman, F. Sedlmeir, H. G. L. Schwefel, K. Buse
(See online at https://doi.org/10.1364/OE.21.030683) - „Comparative study on three highly sensitive absorption measurement techniques characterizing lithium niobate over its entire transparent spectral range“, Optics Express 23, 21690 (2015)
M. Leidinger, S. Fieberg, N. Waasem, F. Kühnemann, K. Buse, I. Breunig
(See online at https://doi.org/10.1364/OE.23.021690) - “Influence of dry-oxygen-annealing on the residual absorption of lithium niobate crystals in the spectral range from 500 to 2900 nanometers”, Optical Materials Express 6, 264 (2016)
M. Leidinger, K. Buse, I. Breunig
(See online at https://doi.org/10.1364/OME.6.000264) - “Strong forward-backward asymmetry of stimulated Raman scattering in lithium-niobate-based whispering gallery resonators”, Optics Letters 41, 2823 (2016)
M. Leidinger, B. Sturman, K. Buse, I. Breunig
(See online at https://doi.org/10.1364/OL.41.002823)
