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Zukunftsmusik: Neues Funktionsprinzip zur Erzeugung der „Dritten Harmonischen“

17.02.2017

Von den Grundlagen bis zum konkreten Produkt: In einem neuen internationalen Forscherverbund untersucht das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) einen innovativen Ansatz zur Erzeugung der „Dritten Harmonischen“. Diese kohärente Strahlung im ultravioletten Spektralbereich lässt sich bisher nur mit hohem Aufwand generieren. Ob dies zukünftig mit Hilfe dielektrischer Schichtsysteme mit einer Konversionseffizienz von mindestens 15 % gelingen kann, wird nun untersucht. Anschließend nimmt das Forscherteam auch die Skalierbarkeit und das Marktpotenzial des neuen Verfahrens ins Visier.

Effizientere Verfahren zur Erzeugung extrem kurzer Laserpulse spielen eine wichtige Rolle bei der weiteren Erforschung der Grundlagen der Laserphysik. Gegenwärtig ist eine Vielzahl von Applikationen in den Bereichen der Medizin, Verfahrens- und Messtechnik sowie in der Forschung etabliert.


Versuchsoptik zur Erzeugung der "Dritten Harmonischen" in Schichtsystemen

Foto: LZH

Insbesondere sind der vergleichbar große Aufwand und die damit verbundenen Kosten sowie die oftmals limitierte Lebensdauer der nichtlinearen Konversionskristalle kritische Faktoren, die einer weiten Verbreitung der Technologie entgegenstehen.

Anders als bei konventionellen Methoden setzt der THG-Schicht-Verbund (Third Harmonic Generation, dt. Erzeugung der „Dritten Harmonischen“) auf dielektrische Schichtsysteme. Bestehende Verfahren hingegen nutzen im ersten Schritt nichtlineare Kristalle zur Frequenzverdopplung und erzeugen dann im zweiten Schritt durch Mischung mit der Laserfrequenz die Dritte Harmonische.

Die zwei eingesetzten Kristalle sind mit äußerster Präzision zu fertigen, zu beschichten und bei der Konversion auf stabile Bedingungen zu regeln. Deshalb sind diese Verfahren relativ kostenintensiv.

Neuer Ansatz mittels dielektrischer Schichten

Dank großer Fortschritte in den letzten Jahren besitzen optische Beschichtungen heute ein deutlich höheres technologisches Potenzial. Die viel höhere Präzision bei der Herstellung sowie die gezieltere Ausnutzung von Nichtlinearitäten und anderen Funktionseigenschaften eröffnen völlig neue Wege.

Dass der Verfahrensansatz mittels dielektrischer Schichten funktioniert, konnte bereits belegt werden. Allerdings versprach man sich davon aufgrund der geringen Dicke der optischen Beschichtungen keine ausreichende Steigerung der Konversionseffizienz. Genau hier setzt THG-Schicht an: Durch eine geschickte Wahl der Schichtfolge und der Beschichtungsmaterialien wollen das Instituts für Quantenoptik der Leibniz Universität Hannover, das Department of Physics der University of New Mexico und die Abteilung Laserkomponenten des LZH die Effizienz der Methode signifikant steigern.

Nur ein Prozessschritt dank neuartiger Schichtenfolge

Durch eine spezielle Schichtkonfiguration erzeugt das neue Verfahren die „Dritte Harmonische“ in einem einzigen Prozessschritt. Die optischen Schichten bilden dabei eine periodische Struktur, die eine phasenangepasste Verstärkung bewirkt und so eine effiziente Konversion ermöglicht. Solche direkten Konversionsprozesse lassen sich mit konventionellen Kristallen aufgrund der erforderlichen Materialeigenschaften nur mit sehr kleinen Umwandlungsraten im Bereich von Bruchteilen eines Prozents realisieren.

Gelingt es dem Forscherverbund schließlich, mittels optischer Dünnschichtsysteme effektive und langzeitstabile Konversionsprozesse umzusetzen, könnten sie damit langfristig zahlreiche neue Anwendungsfelder erschließen.

Koordinator des transatlantischen Forscherverbundes mit dem Titel „Hocheffiziente Generation der Dritten Harmonischen in optischen Schichtstrukturen“ (THG-Schicht) ist das LZH. Das Vorhaben wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unter der Trägerschaft des VDI-Technologiezentrums für eine Laufzeit von drei Jahren gefördert.

Melanie Gauch | Laser Zentrum Hannover e.V.

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