HELMHOLTZ-PREIS 2009 (Preisverleihung am 23.06.2009)
Dr. Tobias Kippenberg, Dr. Ronald Holzwarth und Pascal Del´Haye für die Arbeit „Entwicklung von optischen Frequenzkämmen auf einem Chip“

Preisträger 2009: Frequenzkamm aus dem Chip

Prof. Dr. Ernst O. Göbel (li.), Ruprecht von Siemens (re.), und die drei Preisträger

(v. l. n. r.) Tobias Kippenberg wurde 1976 in Berlin geboren. Er studierte Physik und Elektrotechnik in Aachen und ging dann ans Caltech, wo er 2004 promovierte. Von 2005 bis 2009 leitete er am MPI für Quantenoptik eine Nachwuchsgruppe in der Abteilung von T. Hänsch. 2009 wurde er an die ETH Lausanne (EPFL) berufen, seit 2013 ist er dort Ordentlicher Professor.

Ronald Holzwarth, 1969 in Stuttgart geboren, studierte Physik an der Universität Tübingen und an der University of Oregon. Nach dem Physikdiplom 1997 in Tübingen ging er an die Universität München zu T. Hänsch, bei dem er 2001 promovierte. Anschließend gründete er zusammen mit T. Hänsch und M. Mei die Menlo Systems GmbH, deren Geschäftsführer er ist. Außerdem ist er Gruppenleiter am MPI für Quantenoptik.

Pascal Del‘Haye wurde 1982 in München geboren. Er hat Physik in Aachen und an der Universität München studiert, wo er 2011 bei T. Hänsch promovierte. Aus seiner Diplomarbeit und seiner Dissertation, die er am MPI für Quantenoptik anfertigte, ging die mit dem Helmholtz-Preis prämierte Arbeit hervor. Nach seiner Zeit als Postdoktorand am NIST in Boulder arbeitet er gegenwärtig beim NPL in Teddigton.

Optische Frequenzkämme, für deren Entwicklung Theodor Hänsch und John Hall im Jahr 2005 den Physik-Nobelpreis erhielten, haben die Frequenzmessung im Bereich des sichtbaren Lichtes und der UV-Strahlung revolutioniert. Mit ihnen lassen sich hohe Frequenzen um 1000 Terahertz in niedrigere, elektronisch auszählbare Megahertzfrequenzen übersetzen und dadurch sehr genau bestimmen. Die Frequenzkämme haben die extrem aufwendigen und ungenaueren Frequenzketten ersetzt, mit denen man früher große Frequenzunterschiede überbrückte. Auf herkömmliche Weise werden Frequenzkämme mit Femtosekundenlasern erzeugt, deren Lichtpulse man durch spezielle Glasfasern schickt, in denen nichtlineare optische Effekte das kammartige Frequenzspektrum des Laserlichts erheblich verbreitern. Ein alternatives Verfahren zur Erzeugung von Frequenzkämmen entwickelten Dr. Tobias J. Kippenberg, Dr. Ronald Holzwarth und Dipl.-Phys. Pascal Del‘Haye vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. Für ihre Arbeit wurden sie mit dem Helmholtz-Preis 2009 ausgezeichnet, der mit 20.000 € dotiert war.

Die drei Forscher erzeugten die optischen Frequenzkämme mit Mikroresonatoren, in die kontinuierliches Laserlicht eingekoppelt wurde. Die auf einem Chip sitzenden Resonatoren aus Quarzglas hatte eine Form, die einem Pilz ähnelte. Sie hatten einen etwa 50 µm großen Hut, in dessen kreisförmigem Rand mit einem IR-Laser Flüstergaleriemoden angeregt wurden. In diesen Moden lief die Laserstrahlung durch Totalreflexion in der Nähe des Randes um, so dass dort hohe Lichtintensitäten auftraten. Dadurch kam es zu optisch nichtlinearen Prozessen, bei denen zunächst aus zwei Laserphotonen von gleicher Frequenz zwei Photonen mit unterschiedlichen Frequenzen entstanden. Solch ein neues Photon konnte sich nun seinerseits zusammen mit einem Laserphoton in zwei weitere Photonen mit neuen Frequenzen umwandeln.

Auf diese Weise kam es zu einer Kaskade von Photonen, deren Frequenzen ein breites Spektrum bildeten und mit sehr großer Genauigkeit alle den gleichen Abstand voneinander hatten. Dadurch entstand ein breiter und sehr präziser Frequenzkamm, dessen Licht aus dem Resonator ausgekoppelt wurde. Da solch ein Mikroresonator sehr klein ist, hatten die „Zähne“ im Frequenzkamm sehr große Abstände. So ließ sich ein großer Frequenzunterschied mit wenigen Frequenzen des Frequenzkamms überbrücken, auf die deshalb eine viel größere Laserleistung entfallen konnte als auf die dichtliegenden Frequenzen eines herkömmlichen Frequenzkamms.

Mögliche Anwendungen der neuen Frequenzkämme sind neben der Messung optischer Frequenzen und der Entwicklung noch präziserer Atomuhren auch die Erzeugung von zahlreichen genau definierten Frequenzen für die optische Telekommunikation durch Glasfasern. Mittlerweile ist es gelungen, Frequenzkämme mit vielen unterschiedlich aufgebauten Mikroresonatoren zu erzeugen, beispielsweise mit hochintegrierten Siliziumnitrid-Mikroresonatoren, bei denen der Wellenleiter und der Resonator auf einem Substrat integriert sind. Solche Systeme eignen sich hervorragend für den Einsatz in der Praxis. So konnte die Gruppe um Tobias Kippenberg gemeinsam mit Forschern aus Karlsruhe solche Frequenzkämme in der Telekommunikation einsetzen. Die Defense Advanced Research Projects Agency des Pentagon fördert die Weiterentwicklung der neuartigen Frequenzkammgeneratoren für ihre Nutzung in kompakten Atomuhren.

Literatur

P. Del’Haye et al.: Optical frequency comb generation from a monolithic microresonator. Nature 450, (2007), 1214