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Optische Nichtlinearitäten hochsensitiv messen

Im "Jahrhundert des Photons" spielen integrierte optische Bauteile und Wellenleiter eine immer wichtigere Rolle. Bei manchen Anwendungen, etwa bei der Übertragung von schnellen Datenströmen oder hohen Laserleistungen, sollen sich die photonischen Komponenten idealerweise linear verhalten. Bei optischen Schaltern oder optischen Speicherelementen dagegen werden möglichst hohe Nichtlinearitäten angestrebt. In der PTB wurde ein neuartiges Verfahren entwickelt, um solche Nichtlinearitäten unter Verwendung kleiner Laserleistungen hochempfindlich zu messen.

Messungen optischer Nichtlinearitäten sind in aller Regel mit großen Unsicherheiten behaftet, weil sie empfindlich von den Anregungsparametern abhängen. Deshalb sind Messmethoden wünschenswert, die die Nichtlinearität unabhängig von den Laser- und Wellenleiterparametern auf eine wohlbekannte Referenzprobe beziehen. In dem von der PTB im Rahmen des DFG-Sonderforschungsbereichs 407 entwickelten Verfahren sind erstmalig keine Vorkenntnisse über die Anregungsparameter (etwa Laserimpulsleistung, -dauer oder -chirp) und über den Modenquerschnitt des Wellenleiters erforderlich.

An der Austrittsfläche des Messobjekts werden die Impulse eines Erbium-Faserlasers in eine dünne Quarzglas-Referenzplatte abgebildet. Das in beiden Proben erzeugte nichtlineare Signal wird mit Hilfe eines Überlagerungs-Oszillators mit hoher Empfindlichkeit heterodyn-detektiert. Der Beitrag aus der Referenzplatte kann ein- und ausgeschaltet werden, ohne die Strahlgeometrie zu verändern. Dadurch sind im Prinzip quantenrausch-limitierte Messungen der Probennichtlinearität möglich.

Mit extrem großer Empfindlichkeit konnte die Nichtlinearität einer nur 21 mm langen Probe einer photonischen Kristallfaser mit Hohlkern gemessen werden, deren Wert mehr als 1000-mal kleiner ist als die einer Standardfaser und in der das Lichtfeld fast ausschließlich in Luft oder im Vakuum propagiert. Mit dem Verfahren können auch nichtlineare Absorptionskoeffizienten gemessen werden. Die Einsatzmöglichkeiten sind nicht auf Wellenleiter beschränkt, sondern erstrecken sich von optischen Nichtlinearitäten bei Festkörpern (etwa Polymere) über Flüssigkeiten (wie Nanopartikel-Suspensionen) bis hin zu Oberflächen (beispielsweise plasmonische Resonanzen) und zu Gasproben.

Photonische Faser und Teil des parabolischen Breitband-Abbildungssystems

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