Adiabatische Frequenzkonversion mit Hilfe der elektro-optischen Antwort von Kalium-Niobat-Tantalat-Mischkristallen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Viele kennen folgendes akustisches Phänomen: Eine Gitarrensaite wird angeschlagen, und während der Ton noch klingt, wird die Saitenlänge verkürzt. Dadurch steigt die Tonhöhe, also die Frequenz des Klangs. Obwohl dieser Effekt seit Jahrhunderten bekannt ist, wurde erst vor etwa 20 Jahren sein optisches Analogon untersucht. In diesem wird ein Resonator mit Licht gefüllt. Ändert sich die Resonanzfrequenz der Kavität auf einer Zeitskala kürzer als die Photonlebensdauer, folgt die Frequenz des Lichts im Resonator adiabatisch der Resonanzverschiebung. In unseren Vorarbeiten konnten wir zeigen, dass solche adiabatischen Frequenzwandler über den linearen elektro-optischen Effekt angesteuert werden können. Ein zeitlich veränderliches Spannungssignal wird dabei direkt in eine zeitlich veränderliche Frequenzverschiebung übertragen. Im Projekt wollten wir die Effizienz adiabatischer Frequenzkonversion um mehrere Größenordnungen steigern – mithilfe optischer Resonatoren aus Kaliumtantalat-Niobat, einem Material mit starker elektro-optischer Antwort. Zu Beginn des Projektes zeigte sich jedoch, dass handelsübliche Kristalle nicht homogen genug sind, um reproduzierbare Experimente zu ermöglichen. Daher verlagerten wir unseren Fokus auf die Linearität elektro-optisch getriebener Frequenzkonversion. Wir untersuchten die Erzeugung linearer Frequenzchirps im Sub-Mikrosekundenbereich und demonstrierten erstmals die Anwendung adiabatischer Frequenzkonversion zur Distanzmessung mit Chirps, deren Linearität weniger als 2 % von der eines perfekten Signals abweicht. Dieser Ansatz übertraf den Stand der Technik bei der Aktualisierungsrate. Zudem identifizierten wir eine bislang übersehene Begrenzung: Mechanische Resonanzen des Resonators im Bereich um 10 MHz beschränken die Linearität. Zur Realisierung elektrogetriebener Frequenzkonversion im tiefen Ultraviolett untersuchten wir zusätzlich Resonatoren aus Barium-Magnesium-Fluorid. Deren elektro-optischer Effekt ist zwar vernachlässigbar, doch zeigten sie eine starke piezoel-ektrische Antwort. Abschließend entwickelten wir einen elektro-optisch betriebenen Faser-Ringresonator, der lineare Frequenzchirps mit einstellbarer Steigung zwischen 0.001 und 1 GHz/ns erzeugt – allein durch Variation der Frequenz des sinusförmigen Steuersignals. Auch wenn das ursprüngliche Ziel, eine hocheffiziente adiabatische Frequenzkonversion in Festkörperresonatoren zu demonstrieren, wegen Materialgrenzen nicht erreicht wurde, betrachten wir das Projekt als sehr erfolgreich. Wir gewannen grundlegende Einsichten in adiabatische Frequenzkonversion. Zudem sind wir überzeugt, dass sowohl die Ergebnisse zu miniaturisierten Barium-Magnesium-Fluorid-Resonatoren als auch das faserbasierte Konzept Impulse für verwandte Forschungsfelder geben werden – etwa bei der Erzeugung tief-ultravioletter Strahlung für Atomuhren und in der digitalen Holographie.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Potassium Tantalate-Niobate for Electro-Optically Driven Adiabatic Frequency Conversion. 2023 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe & European Quantum Electronics Conference (CLEO/Europe-EQEC), 1-1. IEEE.
Mrokon, Alexander; Kirste, Lutz; Buse, Karsten & Breunig, Ingo
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Adiabatic frequency conversion in a lithium niobate microresonator for FMCW-LiDAR. Laser Resonators, Microresonators, and Beam Control XXVI, 12. SPIE.
Mrokon, Alexander; Oehler, Johanna & Breunig, Ingo
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Continuous adiabatic frequency conversion for FMCW-LiDAR. Scientific Reports, 14(1).
Mrokon, Alexander; Oehler, Johanna & Breunig, Ingo
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Electrically induced resonance shifts of whispering gallery resonators made of barium magnesium fluoride. APL Photonics, 10(9).
Mrokon, Alexander; Kraft, Heike; Shin, Dongsung; Tanaka, Hiroki; Herr, Simon J.; Buse, Karsten & Breunig, Ingo
