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Helmholtz Prize for the discoverer of the "mini optical comb"

The most important prize for metrology is awarded to Tobias J. Kippenberg, Ronald Holzwarth and Pascal Del Haye – for a completely new approach in the exact measurement of frequencies.

08.04.2009

An optical comb which allows high frequencies to be transmitted into low frequencies and, at the same time, to be measured with extreme accuracy is not only a physical masterpiece, but also a prize collector: after it had been awarded the Nobel Prize in Physics (awarded to Theodor Hänsch and John L. Hall in 2005), the Helmholtz Prize, the most important European metrology prize, will now be awarded for an alternative procedure for an optical comb. For the development of an optical comb on a chip – which is, moreover, based on a completely different physical principle than its predecessor – Dr. Tobias J. Kippenberg and his colleagues Dr. Ronald Holzwarth and Pascal Del Haye from the Max Planck Institute for Quantum Optics in Garching will now be awarded the Helmholtz Prize 2009. Tobias Kippenberg is now professor at the Eidgenössische Technische Hochschule in Lausanne (EPFL, École polytechnique fédérale de Lausanne). The prize which is endowed with 20 000 euros will be awarded on June 23 in a ceremony following the public Hermann von Helmholtz symposium at the Berlin-Brandenburg Academy of Sciences (Gendarmenmarkt, Berlin).

Monochromatisches Licht, symbolisiert durch die grüne Linie links, wird innerhalb des Mikroresonators in einen Frequenzkamm umgewandelt, dargestellt durch das bunte Strahlenbündel rechts.

Im Unterschied zu dem farbenreichen Spektrum, das beim Gang von Licht durch ein Prisma entsteht, enthält das vom Mikroresonator erzeugte Licht Spektrallinien, deren Frequenzen äquidistant liegen.

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines Mikroresonators auf einem Chip

„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.