Teori och modellering av optiska frekvenskammar från mikroresonatorer

Forskningsprojekt, 2014 – 2015

Optiska frekvenskammar har möjliggjort att skapa en ny sorts ljuskällor som kan liknas med att samtidigt ha hundratals eller tusentals koherenta lasrar med en bestämd frekvensskillnad som sträcker sig över ett väldigt brett spektralområde. Frekvenskammar har gjort det möjligt att uppnå en revolutionerande precision i mätningar av frekvenser och i spektroskopiska tillämpningar vilket ledde till 2005 års Nobel pris i fysik som tilldelades J. L. Hall och T. W. Hänsch. Optiska frekvenskammar har tidigare genererats genom modlåsning av lasrar, men nyligen har det visats att frekvenskammar också kan genereras genom att med en koherent laser pumpa mikroresonatorer gjorda av material med en optisk icke-linjäritet. Sådana mikroresonatorer kan konstrueras med hjälp av halvledar teknologi och kan göras så små att de ryms på ett chip där de kan integreras tillsammans med en halvledar laser vilket ger potential för att massproducera billiga och kompakta ljuskällor som kan användas för olika typer av spektroskopi. Det är speciellt intressant att kunna skapa källor för det infraröda spektralområdet mellan 2 och 10 µm då många molekyler har vibrations övergångar inom det området, samtidigt som atmosfären är relativt transparent vilket tillåter identifiering och mätning av koncentrationen av olika ämnen som är av intresse för tillämpningar inom bl.a. miljö och biomedicin. Spektrometrar baserade på optiska frekvenskammar har också många attraktiva egenskaper då de kombinerar täckning av ett brett spektralområde med en väldigt hög upplösning och en mycket kort mättid som är flera storleksordningar mindre än konventionella spektrometrar. Detta ger möjlighet att kunna följa kemiska reaktioner i realtid och har potentialen för att kunna revolutionera kemisk analys och industriell process kontroll. Det återstår dock ett antal både fundamentala och tekniska problem som måste lösas innan frekvenskammar från mikroresonatorer kan implementeras och börja användas praktiskt. Mikroresonatorer har en väldigt komplex och icke-linjär fysik och uppvisar ofta en närmast kaotisk dynamik och det saknar för närvarande kompletta modeller och en fundamental förståelse för hur stabila och brusfria frekvenskammar kan genereras och bibehållas. Därför kommer vi i det föreslagna projektet utveckla en ny teoretisk formalism för att studera hur frekvenskammar uppkommer och använda den för att teoretiskt och numeriskt undersöka det dynamiska beteendet hos frekvenskammar och deras stabilitets egenskaper. De teoretiska undersökningarna kommer också att ligga till grund för modellering och design av mikroresonatorer baserade på en platform av kisel för att i ett experimentellt samarbete med grupper i Italien utveckla frekvenskammar från mikroresonatorer för det infraröda spektralområdet.

Deltagare