Helmholtz-Preis für Entdecker des "Mini-Frequenzkammes"

Ein Frequenzkamm, mit dem sich hohe Frequenzen in niedrige übersetzen und zugleich extrem genau messen lassen, ist nicht nur ein physikalisches Meisterstück, sondern auch ein Preis-Sammler: Nachdem er bereits den Physik-Nobelpreis wert war (verliehen in 2005 an Theodor Hänsch und John L. Hall), wird ein alternatives Verfahren für einen Frequenzkamm jetzt mit dem Helmholtz-Preis, dem bedeutendsten europäischen Metrologiepreis, ausgezeichnet.

Für die Entwicklung eines optischen Frequenzkamms auf einem Chip, der zudem auf einem völlig anderen physikalischen Prinzip als sein Vorgänger basiert, erhalten Dr. Tobias J. Kippenberg und seine Kollegen Dr. Ronald Holzwarth und Pascal Del Haye vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching jetzt den Helmholtz-Preis 2009. Tobias Kippenberg ist mittlerweile Professor an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne (EPFL, École polytechnique fédérale de Lausanne). Der mit 20 000 Euro dotierte Preis wird am 23. Juni in einer Feierstunde im Anschluss an das öffentliche Hermann-von-Helmholtz-Symposium in der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften am Gendarmenmarkt in Berlin verliehen.

„Die Auswahl der Preisträger ist nicht leicht gefallen“, gibt Prof. Dr. Ernst O. Göbel, Präsident der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und Vorsitzer des Verwaltungsrates des Helmholtz-Fonds, zu. „Unsere Gutachter haben festgestellt, dass die Qualität der eingereichten Arbeiten in den letzen Jahren stetig gestiegen ist.“ Immerhin 36 Wissenschaftler/innen bzw. Wissenschaftler-Gruppen hatten sich in diesem Jahr beworben. Die Wahl der Jury fiel schließlich auf die von Kippenberg und seinen Kollegen eingereichte Arbeit zu einer neuen Generation von miniaturisierten Frequenzkämmen.

Ein herkömmlicher Frequenzkamm wird mit den extrem kurzen Lichtblitzen eines Femtosekundenlasers erzeugt. Das Emissionsspektrum eines solchen Kurzpulslasers besteht aus einzelnen Linien, die alle den gleichen Frequenzabstand zu einander haben. Dagegen beruht der neue „Mini-Kamm“ auf einem Mikroresonator. Wird in ihn Laserlicht eingekoppelt, so treten extrem hohe Lichtintensitäten (Photonendichten) auf, mit einer Fülle von nichtlinearen Effekten. Ein solcher Effekt, der „Kerr-Effekt“, ermöglicht die Entstehung eines Frequenzkammes: Zwei Lichtquanten gleicher Energie werden in zwei Photonen umgewandelt, von denen das eine eine höhere, das andere eine niedrigere Energie hat. Die neu erzeugten Photonen können nun ihrerseits mit den ursprünglichen Lichtquanten interagieren und dabei wiederum neue Frequenzen erzeugen. Aus dieser Kaskade entsteht ein überraschend breites Spektrum von Frequenzen – ganz ohne die Verstärkung durch ein Lasermedium, das bei der herkömmlichen Methode nötig ist. Wie beim Femtosekundenlaser haben die im Mikroresonator generierten Frequenzen mit extrem großer Genauigkeit den gleichen Abstand, so dass sich der „Kamm“ hervorragend für Frequenzmessungen eignet.

Weil der neuartige Frequenzkamm so kompakt ist, sind seine Frequenzabstände sehr groß; er hat also weniger Zacken pro Frequenzintervall und auf jede „Zacke des Kamms“ entfällt eine wesentlich höhere Leistung. Das hat zum Beispiel Vorteile für die Kalibrierung von Echelle-Spektrometern, die in der Astronomie beispielsweise zur Entdeckung erdähnlicher Planeten außerhalb unseres Sonnensystems eingesetzt werden.

Neben der Messung von optischen Frequenzen und der Entwicklung noch genauerer optischer Uhren liegt eine weitere vielversprechende Anwendung in der optischen Telekommunikation, da der Abstand der Kamm-Moden ziemlich genau mit den typischen Anforderungen für die „Träger“ der Datenkanäle in der Glasfaser-basierten optischen Telekommunikation übereinstimmt. Während bisher für jeden Frequenzkanal ein eigener Generator mit eigenem Laser erforderlich ist, würde es der neue Ansatz ermöglichen, mit einem einzigen Bauelement eine Vielzahl von Datenkanälen zu definieren.

ptb/es/jes

Die Originalveröffentlichung:
Optical frequency comb generation from a monolithic microresonator. P. Del Haye, A. Schliesser, O. Arcizet, T. Wilken, R. Holzwarth, and T. J. Kippenberg. Nature 450, 1214-1217, 27 December 2007.
Ansprechpartner:
Dr. Jürgen Helmcke,
helmholtzpreis@ptb.de
Helmholtz-Fonds. e.V.
c/o Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
Bundesallee 100
38116 Braunschweig