DE102012021316A1 - Method for performing wavelength conversion of light in solar cell technology, involves displacing light reflection devices in transverse direction to direction of long wavelength of next input spectral wavelength distribution - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung einer Wellenlängenkonversion sowie der Erzeugung von kohärentem Licht, bei dem Photonen mit einer spektralen Eingangswellenlängenverteilung in einen Resonator eingekoppelt werden, der wenigstens zwei Lichtreflexionsanordnungen, insbesondere Spiegel aufweist, wobei durch die Lichtreflexionsanordnungen im Resonator wenigstens eine longitudinale Mode erzeugt wird, deren Wellenlänge von der Resonatorlänge abhängt und durch eine Krümmung wenigstens einer der Lichtreflektionsanordnungen mehrere transversale Moden erzeugt werden. Die Erfindung betrifft weiterhin auch eine Lichtquelle mit einem optischen Resonator der vorbenannten Art.The invention relates to a method for performing a wavelength conversion and the generation of coherent light in which photons are coupled with a spectral input wavelength distribution in a resonator having at least two light reflection arrays, in particular mirrors, wherein at least one longitudinal mode is generated by the light reflection arrays in the resonator , whose wavelength depends on the resonator length and a curvature of at least one of the light reflection arrays generates a plurality of transverse modes. The invention further relates to a light source with an optical resonator of the aforementioned type.
Optische Resonatoren sind im Stand der Technik bekannt und werden üblicherweise gebildet durch Spiegel, zwischen denen das Licht mehrfach umläuft und hierdurch je nach Resonatoraufbau zumindest longitudinale Moden erzeugt, deren Wellenlänge durch den Abstand zwischen den Spiegeln beziehungsweise die Resonatorlänge definiert ist sowie auch transversale Moden, sofern wenigstens einer der Spiegel beziehungsweise allgemein der Lichtreflexionsanordnungen gekrümmt ist, wobei hier im Wesentlichen eine Krümmung bezogen auf die optische Achse des Resonators gemeint ist, was bedeutet, dass die Oberflächennormalen einer solchen gekrümmten Lichtreflektionsanordnung nicht ausschließlich parallel zur optischen Achse liegen, abgesehen von einem Ort exakt auf der optischen Achse, sondern unter einem Winkel hierzu, beispielsweise wenn solche Lichtreflektionsanordnungen beziehungsweise Spiegel eine sphärische oder parabolische Krümmung aufweisen.Optical resonators are known in the art and are usually formed by mirrors, between which the light circulates several times and thereby produces at least longitudinal modes depending on the resonator structure whose wavelength is defined by the distance between the mirrors or the resonator length, as well as transversal modes, provided at least one of the mirrors or generally the light reflection arrangements is curved, in which case a curvature with respect to the optical axis of the resonator is essentially meant, which means that the surface normals of such a curved light reflection arrangement are not exclusively parallel to the optical axis, apart from a location exactly on the optical axis but at an angle thereto, for example if such light reflection arrangements or mirrors have a spherical or parabolic curvature.
Es bildet sich demnach um die optische Achse herum eine räumliche ausgedehnte Lichtverteilung entsprechend den durch die Resonatorgeometrie erlaubten transversalen Moden.Consequently, a spatially extended light distribution is formed around the optical axis in accordance with the transverse modes permitted by the resonator geometry.
Im Stand der Technik sind im Wesentlichen Verfahren zur Wellenlängenkonversion beziehungsweise auch Lichtquellen unter Verwendung von solchen optischen Resonatoren bekannt, bei denen innerhalb der Resonatoren ein optisch aktives Medium zum Einsatz kommt, welches somit zumindest auf der Zielwellenlänge, welche von einem solchen optischen Resonator emitiert werden soll, einen zur Emission anregbaren elektronischen Übergang aufweist.In the prior art, methods for wavelength conversion or light sources using such optical resonators are essentially known, in which an optically active medium is used within the resonators, which is thus at least at the target wavelength, which is to be emitted from such an optical resonator , Having an excitable for emission electronic transition.
Durch die Erfinder ist dabei aus der Publikation
Als nachteilig wird es hier empfunden, dass die verwendeten Farbstoffe bei hohen Intensitäten ausbleichen beziehungsweise die Farbstoffe oder auch andere optisch aktive Medien innerhalb des Resonators bei zu hohen Intensitäten zerstört werden können.It is felt to be disadvantageous here that the dyes used bleach at high intensities or the dyes or else other optically active media can be destroyed within the resonator at too high intensities.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Durchführung einer Wellenlängenkonversion beziehungsweise eine Lichtquelle für eine solche Konversion bereitzustellen, welche die vorgenannten Nachteile nicht aufweist, demnach also dauerhaft einsetzbar ist und auch hohe Intensitäten im Resonator ohne Zerstörung aushält, insbesondere somit geeignet ist, Intensitäten zu erzielen, die oberhalb üblicher Zerstörschwellen optischer Medien liegen. Aufgabe ist es auch, weitere Beschränkungen, die vom Laser bekannt sind, zu überwinden, wie z. B. niedrige Zerstörschwellen aktiver Medien, thermische Linseneffekte oder andere parasitäte Effekte und so höhere Leistungen zu erzielen.It is therefore the object of the invention to provide a method for carrying out a wavelength conversion or a light source for such a conversion, which does not have the aforementioned disadvantages, ie is therefore permanently usable and also withstands high intensities in the resonator without destruction, and thus is particularly suitable. To achieve intensities that are above normal damage thresholds of optical media. The task is also to overcome other limitations that are known by the laser, such. As low damage thresholds of active media, thermal lensing effects or other parasitic effects and thus to achieve higher performance.
Diese Aufgabe wird verfahrensgemäß dadurch erzielt, dass in einer Vielzahl von Reflektionen der Photonen die Wellenlängen der Photonen im Resonator, die anfänglich durch die spektrale Eingangswellenlängenverteilung der in den Resonator eingestrahlten Photonen gegeben ist, im Resonator durch bei den Refelkektionen stattfindenden Wechselwirkung mit den mechanischen Schwingungen einer Vielzahl von Reflexionseinheiten, insbesondere die zumindest eine der Lichtreflexionsanordnungen in transversaler Richtung umfasst, in die Richtung zur nächsten, langwellig von der spektralen Eingangswellenlängenverteilung liegenden longitudinalen Mode verschoben wird.This object is achieved according to the method in that in a plurality of reflections of the photons, the wavelengths of the photons in the resonator, which is initially given by the spectral input wavelength distribution of the irradiated photons in the resonator, in the resonator taking place in the Refelkektionen interaction with the mechanical vibrations of a Variety of reflection units, in particular, the at least one of the light reflection arrangements in the transverse direction comprises, is moved in the direction of the next long wavelength of the spectral input wavelength distribution lying longitudinal mode.
Eine Lichtquelle zur Durchführung eines solchen Verfahrens ist somit im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass im Resonator eine Vielzahl von Reflektionseinheiten vorgesehen sind, insbesondere die in einer Richtung senkrecht um die optische Achse um diese herum angeordnet sind und die jeweils zumindest thermisch zu Schwingungen (in Richtung der optischen Achse) angeregt sind beziehungsweise anregbar sind. Beispielsweise kann eine der Lichtreflexionsanordnungen, insbesondere eine gekrümmte, in transversaler Richtung, das heißt also im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse diese mehreren zu optischen Achse beabstandeten Reflexionseinheiten aufweisen, bzw. daraus bestehen. Es können aber grundsätzlich auch zusätzlich zu den Lichtreflektionsanordnungen die Reflektionseinheiten im Resonator vorgesehen sein. A light source for carrying out such a method is thus essentially characterized in that a multiplicity of reflection units are provided in the resonator, in particular those arranged in a direction perpendicular about the optical axis around them and which in each case at least thermally oscillate (in the direction of FIG optical axis) are excited or are excitable. For example, one of the light reflection arrangements, in particular a curved one, in the transverse direction, that is to say substantially perpendicular to the optical axis, may comprise or consist of a plurality of reflection units spaced from the optical axis. However, in principle, in addition to the light reflection arrangements, the reflection units may be provided in the resonator.
Ein wesentlicher Kerngedanke der Erfindung beruht darauf, dass in einem Resonator der erfindungsgemäßen Art neben den longitudinalen Moden aufgrund der gewählten Geometrie der Lichtreflexionsanordnungen auch eine Vielzahl von transversalen Moden auftreten kann, wobei die Photonen dieser transversalen Moden durch mechanische Wechselwirkung mit den einzelnen, zu Schwingungen angeregten Reflexionseinheiten, insbesondere der wenigstens einen Lichtreflexionsanordnung, in der Wellenlänge verschoben werden, was im klassischen Bild mit dem Prinzip der Dopplerverschiebung erklärt werden kann beziehungsweise als Photon-Phonon-Stoßprozess mit den Phononen der zu den Schwingungen angeregten Reflektionseinheiten.An essential core idea of the invention is based on the fact that in a resonator of the type according to the invention in addition to the longitudinal modes due to the selected geometry of the light reflection arrays also a plurality of transverse modes can occur, the photons of these transverse modes excited by mechanical interaction with the individual, to vibrate Reflection units, in particular the at least one light reflection arrangement are shifted in the wavelength, which can be explained in the classical picture with the principle of Doppler shift or as a photon-phonon collision process with the phonons of the excited to the vibration reflection units.
Es kommt hierbei zu einer energetischen Rotverschiebung der Photonen in die Richtung zur nächsten, langwellig von dem Eingangsspektrum liegenden longitudinalen Mode, die durch den gewählten Resonatorabstand erlaubt ist, so dass sich die Energie innerhalb des Resonators durch diesen Konversionsprozess innerhalb der nächsten durch den Resonator erlaubten longitudinalen Grundmode energetisch, insbesondere auch räumlich konzentriert. Auch können hierdurch ggfs. nicht kohärente Photonen in kohärente konvertiert werden.This results in an energetic redshift of the photons in the direction of the next longitudinal mode lying longwave from the input spectrum, which is allowed by the selected resonator spacing, so that the energy within the resonator through this conversion process within the next allowed by the resonator longitudinal Basic fashion energetic, especially spatially concentrated. Also, this may possibly. Non-coherent photons are converted into coherent.
Grundsätzlich ist dabei der Wellenlängenabstand zwischen dem Eingangswellenlängenspektrum der Photonen und dem Ausgangswellenlängenspektrum, insbesondere der Wellenlänge der longitudinalen Zielmode bei einem als ideal angenommenen Resonator unerheblich und bedingt je nach Abstand lediglich eine mehr oder weniger große Anzahl von Reflektionen.In principle, the wavelength spacing between the input wavelength spectrum of the photons and the output wavelength spectrum, in particular the wavelength of the longitudinal target mode is irrelevant in the case of a resonator assumed to be ideal and, depending on the distance, only causes a greater or lesser number of reflections.
Eine entsprechend genügende Anzahl von Reflektionen zwischen den Lichtreflektionsanordnungen und somit von Umläufen im Resonator kann grundsätzlich durch geeignete Auswahl dieser Lichtreflektionsanordnungen erzielt werden, die zu diesem Zweck eine genügend hohe Reflektivität benötigen, die beispielsweise bei Spiegelaufbauten durch entsprechende dielektrische Beschichtungen oder aber auch durch optische Strukturen, insbesondere im Bereich der halben Zielwellenlänge oder ungerader Vielfacher der halben Zielwellenlänge erreicht werden können.A correspondingly sufficient number of reflections between the light reflection arrangements and thus of circulations in the resonator can in principle be achieved by a suitable selection of these light reflection arrangements which require a sufficiently high reflectivity for this purpose which, for example, in mirror structures by appropriate dielectric coatings or else by optical structures, especially in the range of half the target wavelength or odd multiples of half the target wavelength can be achieved.
Die erfindungsgemäß erzielte Wellenlängenkonversion beruht demnach lediglich auf einer mechanischen Wechselwirkung zwischen den Photonen im Resonator und den Reflektionseinheiten, insbesondere die Photonen begrenzenden Lichtreflexionsanordnungen, wie beispielsweise Spiegeln, so dass innerhalb eines solchen Resonators auf den Einsatz optisch aktiver Medien im Gegensatz zu dem vorgenannten Stand der Technik verzichtet werden kann, so dass grundsätzlich mit einem solchen erfindungsgemäßen Aufbau oder Verfahren auch Intensitäten innerhalb des Resonators erzeugt werden können, die jenseits üblicher Zerstörschwellen von optischen Medien liegen und allenfalls durch die Zerstörschwellen der zum Einsatz kommenden Lichtreflexionsanordnungen und/oder Reklektionseinheiten begrenzt sind. Die Zerstörschwellen der Lichtreflektionsanordnung und/oder Reflektionseinheiten sind im Wesentlichen üblicherweise aufgrund von transversal ausgedehnten Profilen keine tatsächliche Limitierung.The wavelength conversion achieved according to the invention is therefore based solely on a mechanical interaction between the photons in the resonator and the reflection units, in particular photon-limiting light reflection arrangements, such as mirrors, so that within such a resonator on the use of optically active media in contrast to the aforementioned prior art can be omitted, so that in principle with such a structure or method according to the invention intensities within the resonator can be generated, which lie beyond the usual damage thresholds of optical media and are limited by the damage thresholds of the used light reflection arrays and / or Reklektionseinheiten. The damage thresholds of the light reflection arrangement and / or reflection units are essentially not usually limited due to transversally extended profiles.
Eine mögliche bevorzugte Ausführungsform kann es demnach vorsehen, dass der Resonator auf der Zielwellenlänge der jeweiligen longitudinalen Mode ohne ein Photonen absorbierendes oder Photonen emittierendes Medium betrieben wird.A possible preferred embodiment may therefore provide that the resonator is operated on the target wavelength of the respective longitudinal mode without a photon-absorbing or photon-emitting medium.
Alternativ hierzu ist es jedoch auch denkbar, in dem Resonator ein optisch aktives Medium einzusetzen und so beispielsweise die Photonen der spektralen Eingangswellenlängenverteilung durch ein im Resonator angeordnetes Medium zu erzeugen. Hier erfolgt jedoch im Gegensatz zu dem eingangs genannten Stand der Technik durch dieses Medium nicht selbst die Wellenlängenkonversion, sondern lediglich die Erzeugung der Photonen mit der spektralen Eingangswellenlängenverteilung, wohingegen der Konversionseffekt weiterhin auf der beschriebenen mechanischen Wechselwirkung zwischen den Schwingungen der Reflexionseinheiten, insbesondere der wenigstens einen Lichtreflexionsanordnung und der Photonen beruht.Alternatively, however, it is also conceivable to use an optically active medium in the resonator and thus to produce, for example, the photons of the spectral input wavelength distribution by a medium arranged in the resonator. Here, however, in contrast to the aforementioned prior art by this medium not even the wavelength conversion, but only the generation of the photons with the spectral input wavelength distribution, whereas the conversion effect further on the described mechanical interaction between the oscillations of the reflection units, in particular the at least one Light reflection arrangement and the photons based.
Die Anregung eines solchen innerhalb eines Resonators angeordneten Mediums kann dabei beliebiger Art sein, beispielsweise elektronisch oder auch optisch gemäß üblicher in der Physik bekannter Prinzipien. Sofern jedoch keinerlei Photonen absorbierendes oder Photonen emittierendes Medium auf der Zielwellenlänge innerhalb des Resonators zum Einsatz kommt, ist es im Wesentlichen erfindungsgemäß vorgesehen, die Photonen des Eingangswellenlängenspektrums durch eine separat betriebene Lichtquelle in die erfindungsgemäße Lichtquelle einzukoppeln, insbesondere parallel zur optischen Achse des gebildeten Resonators, bevorzugt exakt auf dieser.The excitation of such a medium arranged within a resonator can be of any type, for example electronically or optically in accordance with conventional principles known in physics. However, if no photon-absorbing or photon-emitting medium is used at the target wavelength within the resonator, it is essentially provided according to the invention to couple the photons of the input wavelength spectrum by a separately operated light source into the light source according to the invention, in particular parallel to the optical axis of the resonator formed, preferably exactly on this.
Eine Wellenlängenkonversion kann besonders dann sehr effektiv durchgeführt werden, wenn die einzelnen Reflektionseinheiten, insbesondere wenigstens einer der Lichtreflexionsanordnungen oder auch dazu separate zu Schwingungen angeregt sind oder angeregt werden, beispielsweise thermisch angeregt sind oder angeregt werden, die resonant sind zum Frequenzabstand der transversalen Moden des Resonators, die durch die Resonatorgeometrie definiert sind.Wavelength conversion can be carried out very effectively, in particular, when the individual reflection units, in particular at least one of the light reflection arrangements or separately, are excited or excited to oscillate, for example thermally excited or excited, which are resonant with the frequency spacing of the transverse modes of the resonator that are defined by the resonator geometry.
Besonders vorteilhaft ist hier eine Schwingung der einzelnen Reflektionseinheiten insbesondere parallel zur optischen Achse des Resonators in einem Frequenzbereich von 1 bis 100 Gigahertz. Insbesondere schwingen die einzelnen Reflektionseinheiten zueinander in einer möglichst zufälligen Phasenlage, beispielsweise durch thermische Anregung.Particularly advantageous here is a vibration of the individual reflection units, in particular parallel to the optical axis of the resonator in a frequency range of 1 to 100 gigahertz. In particular, the individual reflection units oscillate with respect to one another in a possibly random phase position, for example by thermal excitation.
Bevorzugt weisen die einzelnen Reflexionseinheiten eine jeweilige einzelne Masse auf, die Schwingungen in diesem Frequenzbereich zulassen. Solche Massen werden beispielsweise erzielt, wenn die einzelnen Reflexionseinheiten eindimensionale oder bevorzugt zweidimensionale Ausdehnungen aufweisen im Bereich von ungeraden Vielfachen der halben Zielwellenlänge, im Wesentlichen unabhängig vom konkreten Material.Preferably, the individual reflection units have a respective individual mass, which allow vibrations in this frequency range. Such masses are achieved, for example, if the individual reflection units have one-dimensional or preferably two-dimensional expansions in the range of odd multiples of half the target wavelength, essentially independent of the specific material.
Eine bevorzugte Ausführung des Verfahrens beziehungsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es vorsehen, dass die Länge des Resonators gewählt wird zur n × Lambda/2, wobei Lambda die Zielwellenlänge der longitudinalen Zielmode ist und n ≤ 40, bevorzugt n ≤ 10, weiter bevorzugt n = 1 ist.A preferred embodiment of the method or a device according to the invention may provide that the length of the resonator is selected to be n × lambda / 2, where lambda is the target wavelength of the longitudinal target mode and n ≦ 40, preferably n ≦ 10, more preferably n = 1 is.
Hierdurch kann in weiterer bevorzugter Ausführung sichergestellt werden, dass die Zielwellenlänge der longitudinalen Mode außerhalb der spektralen Eingangswellenlängenverteilung der Photonen liegt, so dass alle Photonen dieser Eingangswellenlängenverteilung auf ein und dieselbe zum langwelligeren Bereich liegenden nächsten, durch den Resonator erlaubten longitudinalen Mode durch eine Vielzahl von Reflexionen verschoben werden.In this way it can be ensured in a further preferred embodiment that the target wavelength of the longitudinal mode lies outside the spectral input wavelength distribution of the photons, so that all the photons of this input wavelength distribution point to one and the same longer wavelength mode allowed by the resonator through a plurality of reflections be moved.
Ist hingegen die spektrale Eingangswellenlängenverteilung derart breit oder derart positioniert, dass wenigstens eine longitudinale Mode des Resonators innerhalb dieser Eingangswellenlängenverteilung liegt, so wird ein Teil der kurzwellig zu dieser longitudinalen Mode liegenden Photonen der Eingangswellenlängenverteilung exakt auf diese longitudinale Mode verschoben und der darüber liegende Teil der Photonen auf die nächste zum Langwelligen liegende folgende erlaubte longitudinale Mode des Resonators, so dass sich in einem solchen Fall die Energie der einzelnen Photonen gegebenenfalls auf mehrere zugelassene longitudinale Moden verteilt.If, on the other hand, the spectral input wavelength distribution is so broad or so positioned that at least one longitudinal mode of the resonator lies within this input wavelength distribution, then a portion of the short wavelength of this longitudinal mode photons of the input wavelength distribution is shifted exactly to this longitudinal mode and the overlying portion of the photons the next longitudinal mode allowed by the long wave allowed the resonator to resonate so that, in such a case, the energy of the individual photons may be distributed among a plurality of allowed longitudinal modes.
Unabhängig davon, ob nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beziehungsweise mit einer solchen Vorrichtung mehrere oder bevorzugt nur eine einzige longitudinale Mode mit einer ausgewählten Zielwellenlänge erzeugt wird, kann es bevorzugt vorgesehen sein, dass der Resonator im thermischen Gleichgewicht betrieben wird, was bedeutet, dass die Photonen im Resonator, die ein sogenanntes Photonengas bilden, mit den thermischen Schwingungen der einzelnen Reflexionseinheiten, insbesondere der wenigstens einen Lichtreflexionsanordnung oder dazu separate im thermischen Gleichgewicht sind und demnach eine spektrale Ausgangsverteilung dieser Photonen gebildet wird, mit einer im langwelligen Bereich liegenden Grenzwellenlänge der besagten longitudinalen Mode und einer Vielzahl von transversalen Moden, deren Intensität in Richtung zum kurzwelligen Bereich abnimmt.Regardless of whether several or preferably only a single longitudinal mode with a selected target wavelength is generated by the method according to the invention or with such a device, it can preferably be provided that the resonator is operated in thermal equilibrium, which means that the photons in the Resonator, which form a so-called photon gas, with the thermal vibrations of the individual reflection units, in particular the at least one light reflection arrangement or separately in thermal equilibrium and therefore a spectral output distribution of these photons is formed, with a lying in the long wavelength range wavelength of said longitudinal mode and a plurality of transversal modes whose intensity decreases toward the short wavelength range.
Besonders bevorzugt wird hierbei unterhalb einer kritischen Photonenzahl im Resonator ein Bose-Einstein-verteiltes Photonenspektrums erzeugt und oberhalb einer kritischen Photonenzahl bevorzugt ein Bose-Einstein-Kondensat, bei der sich im Wesentlichen alle Photonen auf der Wellenlänge der einen oder gegebenenfalls mehreren durch den Resonator zugelassenen longitudinalen Moden konzentrieren.Particularly preferably, a Bose-Einstein-distributed photon spectrum is generated below a critical number of photons in the resonator, and preferably a Bose-Einstein condensate above a critical number of photons, in which essentially all the photons on the wavelength of the one or possibly more are permitted by the resonator focus on longitudinal modes.
Das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise eine Lichtquelle gemäß der Erfindung kann demnach bevorzugt eingesetzt werden bei jeglicher Anwendung, bei der die Aufgabe besteht, Photonen einer Eingangswellenlänge oder Wellenlängenverteilung in Richtung zur langwellig davon liegenden Zielwellenlänge zu verschieben, wobei bevorzugt spektrale Eingangswellenlängenverteilungen auf eine gegenüber der ursprünglichen spektralen Halbwertsbreite geringere spektrale Breite konvertiert werden.Accordingly, the method according to the invention or a light source according to the invention can preferably be used in any application in which the task is to shift photons of an input wavelength or wavelength distribution in the direction of the long wavelength thereof, preferably spectral input wavelength distributions to one compared to the original spectral half-width lower spectral width are converted.
Anwendungen können vielfältig sein und zum Beispiel im Bereich der Solarzellentechnologie gegeben sein, bei der die photovoltaischen Materialien üblicherweise bei ausgewählten Wellenlängen im nahen Infrarotbereich besonders hohe Absorption aufweisen, so dass hier eine Konversion des einfallenden Tageslichtspektrums mit auch kurzwellig zur Absorptionswellenlänge liegenden Wellenlängen in Richtung zu der jeweils gewählten Absorptionswellenlänge des photovoltaischen Materials verschoben werden können, wodurch sich die Effektivität von Solarzellen signifikant steigern lässt. Applications can be varied and be given, for example, in the field of solar cell technology, in which the photovoltaic materials usually have particularly high absorption at selected wavelengths in the near infrared range, so that here a conversion of the incident daylight spectrum with short wavelengths to the absorption wavelength wavelengths towards the each selected absorption wavelength of the photovoltaic material can be moved, which can significantly increase the efficiency of solar cells.
Eine mögliche Ausführungsform kann es beispielsweise vorsehen, dass die Reflektionseinheiten, wenn es sich um solche wenigstens einer der Lichtreflexionsanordnungen handelt, gebildet sind durch eine Vielzahl dielektrischer beschichteter Spiegelelemente. Sofern also eine Lichtreflexionsanordnung durch einen Spiegel gebildet wird, der den Resonator begrenzt, so kann einer solcher Spiegel demnach mehrere Spiegelelemente umfassen, so dass ein solcher Spiegel als segmentiert bezeichnet werden kann, insoweit also eine Vielzahl von zweidimensional angeordnete Spiegelelementen aufweist, die um die optische Achse des Resonators herum angeordnet sind und jeweils zu Schwingungen angeregt werden können beziehungsweise angeregt sind, beispielsweise thermisch angeregt sind aufgrund der Umgebungstemperatur und somit in bevorzugter Ausfertigung jeweils einzelne Oszillatoren bilden, die weiterhin bevorzugt in Richtung der optischen Achse schwingen und somit zum zuvor beschriebenen Dopplereffekt beziehungsweise der Phononenstreuung beitragen können. Die einzelnen Reflektionseinheiten können z. B. auch untereinander gekoppelt sein und im statistischen Mittel phasenverschoben zueinander schwingen.By way of example, one possible embodiment may provide that the reflection units, if these are at least one of the light reflection arrangements, are formed by a large number of dielectric coated mirror elements. Thus, if a light reflection arrangement is formed by a mirror which delimits the resonator, then such a mirror can accordingly comprise a plurality of mirror elements, so that such a mirror can be termed segmented insofar as it has a multiplicity of two-dimensionally arranged mirror elements which surround the optical mirror Axis of the resonator are arranged around and can each be excited to vibrations or are excited, for example, thermally excited due to the ambient temperature and thus in a preferred embodiment each form individual oscillators, which further preferably oscillate in the direction of the optical axis and thus to the previously described Doppler effect or contribute to the phonon scattering. The individual reflection units can z. B. also be coupled with each other and vibrate out of phase to each other in the statistical average.
Lichtreflexionsanordnungen können weiterhin auch durch photonische Kristalle ausgebildet werden, die im Wesentlichen zu beschreiben sind als periodische bzw. quasiperiodische Anordnung dielektrischer Strukturen, z. B. dielektrische Stäbe, Schichtenfolgen (wie im bekannten dielektrischen Spiegel), oder auch geeignet dimensionierte Löcher in einem dielektrischen Material. Diese photonischen Kristalle sind insbesondere für die Realisierung dreidimensionaler Resonatoren von Vorteil.Furthermore, light reflection arrangements can also be formed by photonic crystals, which are essentially to be described as a periodic or quasi-periodic arrangement of dielectric structures, eg. As dielectric rods, layer sequences (as in the known dielectric mirror), or even appropriately sized holes in a dielectric material. These photonic crystals are particularly advantageous for the realization of three-dimensional resonators.
Eine weitere Ausführungsform kann es vorsehen, dass eine Lichtreflexionsanordnung gebildet wird durch einen solchen photonischen Kristall, d. h. sich abwechselnd wiederholende, insbesondere in einem ungeraden Vielfachen der halben Zielwellenlänge der longitudinalen Mode sich abwechselnd wiederholende, wenigstens zweidimensionale Struktur von verschiedenen optischen Eigenschaften, insbesondere von Brechungsindizes. So können demnach Strukturen lichtreflektierend wirken, deren unterschiedliche durch die Struktur hervorgerufene Brechungsindizes im Abstand eines ungeraden Vielfachens der halben Zielwellenlänge aufeinander folgen, nämlich zumindest in Richtung der optischen Achse in einer Dimension und senkrecht hierzu in wenigstens einer weiteren Dimension, bevorzugt jedoch auch dreidimensional, so dass sich eine räumliche Struktur ergibt, in welcher die einzelnen Struktureinheiten als Abstand das eingangs genannte bevorzugt ungerade Vielfache der halben Zielwellenlänge der longitudinalen Mode aufweisen.A further embodiment may provide that a light reflection arrangement is formed by such a photonic crystal, i. H. alternating, at least two-dimensional structure of different optical properties, in particular refractive indices, alternately repeating, in particular in an odd multiple of half the target wavelength of the longitudinal mode. Accordingly, structures may have a light-reflecting effect whose different refractive indices caused by the structure follow one another at a distance of an odd multiple of half the target wavelength, namely at least in the direction of the optical axis in one dimension and perpendicular thereto in at least one further dimension, but preferably also three-dimensionally that results in a spatial structure in which the individual structural units as a distance have the aforementioned preferably odd multiples of half the target wavelength of the longitudinal mode.
Hierbei ist zu bemerken, dass die Struktur bevorzugt nicht perfekt periodisch sein kann, da in diesem Fall keine Krümmung und somit eine Aufhebung der Entartung für die transversalen Moden besteht. In einem solchen photonischen Kristall lässt sich durch Modifikation der optischen Eigenschaften an einer bestimmten Stelle sog. Defektmoden lokalisieren, die dem Innenraum des klassischen Spiegelresonators entsprechen. In diesem Innenraum würde bevorzugt die Thermalisierung des Lichts stattfinden. Eine mögliche Ausführungsform wäre demnach ein „Defekt” im photonischen Kristall, umgeben von einer (nahezu) periodischen Struktur, insbesondere deren Strukturbreite in der Größenordnung der Wellenlänge liegt.It should be noted that the structure preferably can not be perfectly periodic, since in this case there is no curvature and thus a cancellation of the degeneracy for the transverse modes. In such a photonic crystal, so-called defect modes can be located by modifying the optical properties at a specific location, which correspond to the interior of the classical mirror resonator. In this interior, the thermalization of the light would preferably take place. A possible embodiment would therefore be a "defect" in the photonic crystal, surrounded by a (nearly) periodic structure, in particular whose structure width is of the order of magnitude of the wavelength.
Eine solche Struktur ist demnach um die optische Achse des Resonators herum angeordnet und führt sowohl zur Reflexion der Photonen in Richtung der optischen Achse als auch zur Möglichkeit der Ausbildung transversaler Moden senkrecht hierzu, da eine entsprechend große Ausdehnung der genannten Struktur beziehungsweise eine Vielzahl von Struktureinheiten senkrecht zur optischen Achse vorgesehen ist. Die einzelnen Strukturen wie zum Beispiel Brechungsindexunterschiede oder auch in dem vorgenannten Abstand angeordnete dielektrische Störungen (z. B. Löcher oder Säulen) schwingen zumindest thermisch zueinander und führen bereits aufgrund dieser thermischen Schwingungen zu dem erfindungsgemäß beschriebenen Effekt der Wellenlängenkonversion.Such a structure is thus arranged around the optical axis of the resonator and leads both to the reflection of the photons in the direction of the optical axis and the possibility of forming transverse modes perpendicular thereto, since a correspondingly large extent of said structure or a plurality of structural units perpendicular is provided to the optical axis. The individual structures such as, for example, refractive index differences or dielectric disturbances (eg holes or columns) arranged in the abovementioned spacing at least oscillate thermally relative to one another and already lead to the wavelength conversion effect described according to the invention due to these thermal oscillations.
Besonders bei dieser Ausführung kann es auch vorgesehen sein, dass die zumindest zweidimensionale gegebenenfalls auch dreidimensionale Struktur in einem Matrixmaterial ausgebildet ist, das geeignet ist, nach entsprechender Anregung das Eingangswellenlängenspektrum zu emittieren. Das Matrixmaterial kann demnach Lichtquelle für die Eingangsphotonen bilden sowie auch wenigstens eine Lichtreflexionsanordnung, so dass eine einheitliche Gesamtanordnung geschaffen werden kann.Particularly in this embodiment, it can also be provided that the at least two-dimensional, if appropriate, also three-dimensional structure is formed in a matrix material which is suitable for emitting the input wavelength spectrum after appropriate excitation. The matrix material can thus form a light source for the input photons and also at least one light reflection arrangement, so that a uniform overall arrangement can be created.
Unabhängig davon, ob das Matrixmaterial auch anregbar ist und ein Eingangswellenlängenspektrum emitiert oder lediglich ausschließlich dazu dient Strukturen von verschiedenen optischen Eigenschaften auszubilden, kann es vorgesehen sein, dass in ein und demselben Matrixmaterial zwei mit der gewünschten Resonatorlänge beabstandete Lichtreflexionsanordnungen angeordnet sind, die jeweils durch die wenigstens zweidimensionale, bevorzugt dreidimensionale Struktur von verschiedenen optischen Eigenschaften ausgebildet ist. Regardless of whether the matrix material is also excitable and emits an input wavelength spectrum or merely serves to form structures of different optical properties, it can be provided that two light reflection arrangements spaced apart from the desired resonator length are arranged in one and the same matrix material at least two-dimensional, preferably three-dimensional structure of different optical properties is formed.
Eine andere Ausführung kann es auch vorsehen, dass die Reflektionseinheiten nicht durch Elemente der Lichtreflektionsanordnungen gegeben sind, welche den Resonator geometrisch begrenzen, sondern durch zusätzlich zu den Lichtreflektionsanordnungen, insbesondere den Spiegeln im Resonator vorhandene Elemente. Solche Reflektionseinheiten können z. B. Teilchen innerhalb des Resonators sein, wie beispielsweise Kügelchen, insbesondere die thermisch schwingen oder zusätzlich zu Schwingungen angeregt sind.Another embodiment may also provide that the reflection units are not given by elements of the light reflection arrangements, which limit the geometrical geometrically, but by elements in addition to the light reflection arrangements, in particular the mirrors in the resonator. Such reflection units can, for. B. particles within the resonator, such as beads, in particular, the thermally vibrate or are additionally excited to oscillate.
Solche Reflektionseinheiten, insbesondere Kügelchen können bevorzugt in der Dimensionierung kleiner sein als die Wellenlänge, insbesondere die Wellenlänge der longitudinalen Zielmode, bevorzugt kleiner 1/10, weiter bevorzugt kleiner 1/100 der Wellenlänge. Z. B. können die Kügelchen aus Siliziumoxid gebildet sein. In einem solchen Fall sind die Reflektionseinheiten als optisch von der Umgebung abweichendes Medium, insbesondere optisch dichteres Medium zu berücksichtigen. Die eingangs genannte bevorzugte Resonatorlänge ist sodann die effektive optische Länge unter Berücksichtigung der im Resonator befindlichen Medien mit ggfs. verschiedenen Brechungsindizes.Such reflection units, in particular beads, may preferably be smaller in dimensioning than the wavelength, in particular the wavelength of the longitudinal target mode, preferably less than 1/10, more preferably less than 1/100 of the wavelength. For example, the beads may be formed of silicon oxide. In such a case, the reflection units are to be considered as optically deviating from the environment medium, in particular optically denser medium. The preferred resonator length mentioned at the outset is then the effective optical length, taking into account the media in the resonator with possibly different refractive indices.
Weitere allgemeine Zusammenhänge sowie Ausführungen der Erfindung werden nachfolgend beschrieben:
Es wird vorgeschlagen, ein niedrigdimensionales Photonengas zu thermalisieren und durch optomechanische Interaktionen in einem mikroskopischen optischen Hohlraum eine Bose-Einstein-Photonenkondensation bevozugt mit einer einzelnen longitudinalen Mode und vielen transversalen Moden zu erhalten. Die Geometrie des kurzen Hohlraums ist derart, dass sie eine niederfrequente Begrenzung bei einer Photonenenergie liefert, die weit über der thermischen Energie liegt, so dass die thermische Emission von Photonen unterdrückt wird und die Photonenanzahl beibehalten wird.Further general relationships as well as embodiments of the invention are described below:
It is proposed to thermalize a low-dimensional photon gas and to obtain a Bose-Einstein photon condensation by optomechanical interactions in a microscopic optical cavity, preferably with a single longitudinal mode and many transverse modes. The geometry of the short cavity is such as to provide low frequency confinement at a photon energy that is well above the thermal energy, thus suppressing the thermal emission of photons and maintaining the number of photons.
Wenngleich bei früheren Experimente mit der Bose-Einstein-Photonenkondensation Farbstoffmoleküle für die Photonengasthermalisierung verwendet wurden, wird die Thermalisierung aufgrund von Wechselwirkungen mit thermisch fluktuierenden nanomechanischen Oszillatoren untersucht, die mindestens einen der Hohlraumspiegel bilden. In dem quantenentarteten Bereich wandelt der nanomechanische Hohlraum breitbandige optische Strahlung in abstimmbare kohärente Strahlung um.Although previous experiments with Bose-Einstein photon condensation used dye molecules for photon gas thermal treatment, thermalization is studied due to interactions with thermally fluctuating nanomechanical oscillators that form at least one of the cavity mirrors. In the quantum degenerate region, the nanomechanical cavity converts broadband optical radiation into tunable coherent radiation.
Wenn ein Gas aus Partikeln gekühlt wird oder seine Dichte zu dem Punkt erhöht wird, dass sich die assoziierten de Broglie-Wellenpakete räumlich überlappen, kommen quantenstatistische Effekte ins Spiel. Für Bosonen mit einer nichtverschwindenden Masse minimiert das Phänomen der Bose-Einstein-Kondensation in einem makroskopisch besetzten Grundzustand dann die freie Energie. Die Bose-Einstein-Kondensation wurde zuerst in verdünnten Atomgasen erzielt, und andere Versuche berichteten über Kondensate im (Fast-)Gleichgewicht vom Exziton-Polaritonen bzw. Magnonen. Andererseits zeigt die Schwarzkörperstrahlung – das verbreitetste Bose-Gas, keine Bose-Einstein-Kondensation, weil die Photonenanzahl bei Temperaturvariationen (verschwindendes chemisches Potential) nicht beibehalten wird und Photonen bei niedrigen Temperaturen in den Hohlraumwänden verschwinden, anstatt den Hohlraumgrundzustand zu belegen. Bei einer jüngsten Arbeit wurde eine Bose-Einstein-Kondensation eines zweidimensionalen Photonengases in einem mit einer Farbstofflösung gefüllten optischen Mikrohohlraum beobachtet. Das Photonengas ist hier durch mehrere Absorptions-Emissions-Zyklen in dem Farbstoff thermisch an die Temperatur der Farbstofflösung gekoppelt, was die mittlere Photonenanzahl beibehält.When a gas is cooled from particles or its density is increased to the point that the associated de Broglie wave packets overlap spatially, quantum statistical effects come into play. For bosons with a non-vanishing mass, the phenomenon of Bose-Einstein condensation in a macroscopically occupied ground state then minimizes the free energy. The Bose-Einstein condensation was first achieved in diluted atomic gases, and other experiments reported condensates in the (fast) equilibrium of exciton polarons and magnons, respectively. On the other hand, blackbody radiation - the most common Bose gas, does not show Bose-Einstein condensation because the number of photons is not maintained at temperature variations (vanishing chemical potential) and photons disappear at low temperatures in the cavity walls, rather than occupying the cavity bottom state. In a recent work, a Bose-Einstein condensation of a two-dimensional photon gas in an optical microvoid filled with a dye solution was observed. The photon gas is thermally coupled to the temperature of the dye solution through multiple absorption-emission cycles in the dye, which maintains the average number of photons.
Die Hohlraumspiegel liefern sowohl eine nichtverschwindende effektive Photonenmasse als auch ein beschränkendes Potential.The cavity mirrors provide both a non-vanishing effective photon mass and a limiting potential.
Es ist seit langem bekannt, dass die thermische Bewegung die Linienbreite von optischer Strahlung innerhalb eines optischen Resonators vergrößern kann, und für aus makroskopischen optischen Spiegeln hergestellte Hohlräume stellen effektive optische Längenfluktuationen aus thermodynamischen Temperaturfluktuationen in den Spiegeln den größten Beitrag dar. Man findet, dass für nanomechanische Spiegel auf Wellenlängenskala üblicherweise direkte thermische Längenfluktuationen dominieren. Die Kopplungsstärke von Licht und mechanischer Bewegung skaliert mit dem Verhältnis der mechanischen Nullpunktbewegung und der Hohlraumlänge und kann durch die Verwendung von dünnen optischen Hohlräumen und kleinen Spiegelmassen verstärkt werden. Jüngste Versuche auf der Basis von mikrostrukturierten nanomechanischen Schwingungen haben mechanische Schwingungsfrequenzen im GHz-Bereich gezeigt, die sich der Querschwingungsfrequenz von in dem Mikrohohlraumexperiment eingefangenen Photonen nähern.It has long been recognized that thermal motion can increase the linewidth of optical radiation within an optical resonator, and for optical cavities made from macroscopic optical mirrors, effective optical length fluctuations from thermodynamic temperature fluctuations in the mirrors are the largest contributors Nanomechanical mirrors on wavelength scale usually dominate direct thermal length fluctuations. The coupling strength of light and mechanical motion scales with the ratio of mechanical zero point movement and cavity length and can be enhanced by the use of thin optical cavities and small mirror masses. Recent experiments based on microstructured nanomechanical vibrations have shown mechanical vibration frequencies in the GHz range that approximate the transverse vibration frequency of photons captured in the micro cavity experiment.
Es wird hier eine die Anzahl aufrechterhaltende Thermalisierung eines Photonengases mit Hilfe von optomechanischen Wechselwirkungen in einem mikroskopischen optischen Hohlraum vorgeschlagen. Der Aufbau verwendet einen dünnen optischen Hohlraum mit einer unteren Grenzfrequenz weit über der thermischen Energie und einer Mannigfaltigkeit an transversalen Moden. Die thermische Bewegung der nanomechanischen Oszillatoren, die an das Photonengas gekoppelt sind, führt zu einer Thermalisierung des optischen Spektrums in Richtung auf eine Bose-Einstein-Verteilung über der unteren Grenzfrequenz. Über dem BEC-Schwellwert führen optomechanische Phasenraumdichte-Wechselwirkungen zu einer Umverteilung eines breitbandigen optischen Spektrums (oder allgemeiner eines Ungleichgewichtsspektrums) in eine Bose-Einstein-kondensierte Photonenverteilung einschließlich eines makroskopisch besetzten, kohärenten Grundzustandsmodus.Here, a number-maintaining thermalization of a photon gas is proposed by means of optomechanical interactions in a microscopic optical cavity. The design uses a thin optical cavity with a lower cutoff frequency well above the thermal energy and a variety of transverse modes. The thermal motion of the nanomechanical oscillators, which are coupled to the photon gas, leads to a thermalization of the optical spectrum in the direction of a Bose-Einstein distribution above the lower limit frequency. Above the BEC threshold, optomechanical phase space density interactions result in a redistribution of a broadband optical spectrum (or more generally an imbalance spectrum) into a Bose-Einstein condensed photon distribution, including a macroscopically occupied, coherent ground state mode.
Ein Schemadiagramm des vorgeschlagenen Aufbaus ist in
Weil der transversale optische Wellenvektor im Verlauf der Thermalisierung modifiziert werden muss, wird angenommen, dass die Spiegelsegmente auch geneigt werden können. Ein Neigen eines Spiegelsegments tritt natürlich auf, wenn die benachbarten Federn außerphasige Schwingungen im Verlauf ihrer thermischen Zufallsbewegung ausführen.Because the transverse optical wave vector must be modified during thermalization, it is believed that the mirror segments can also be tilted. Of course, tilting of a mirror segment occurs when the adjacent springs make out-of-phase oscillations in the course of their thermal random motion.
Der Abstand zwischen den Spiegeln ist der Wellenlängenbereich. Der Einfachheit halber beträgt der Spiegelabstand d fast eine Hälfte einer optischen Wellenlänge. Die Quantenzahl der longitudinalen Moden ist auf n = 1 fixiert. Der enge longitudinale Einschluß führt eine untere Grenzfrequenz bei einer Frequenz ωcutoff = 2πc/λcutoff ein, wobei die Grenzwellenlänge λcutoff ≅ d/2 ist.The distance between the mirrors is the wavelength range. For the sake of simplicity, the mirror spacing d is almost one-half of an optical wavelength. The quantum number of the longitudinal modes is fixed at n = 1. The narrow longitudinal inclusion introduces a lower cut-off frequency at a frequency ω cutoff = 2πc / λc utoff , where the cut-off wavelength λ is cutoff ≅ d / 2.
Eine Umverteilung zwischen transversalen Moden und einer Thermalisierung des Photonengases wird hier über den optomechanischen Effekt untersucht, d. h. durch den Doppler-Effekt während einer Reflexion der thermisch schwingenden Spiegelelemente. Die Doppler-Verschiebung pro komplettem Hohlraumumlauf ist relativ klein, so dass es klar ist, dass viele Reflexionen innerhalb eines hochfeinen Hohlraums erforderlich sind.A redistribution between transverse modes and a thermalization of the photon gas is investigated here via the optomechanical effect, i. H. by the Doppler effect during reflection of the thermally oscillating mirror elements. The Doppler shift per complete cavity cycle is relatively small, so it is clear that many reflections are required within a very fine cavity.
Die Kopplung kann maximiert werden, wenn mechanische Schwingungsfrequenzen ωm der mikromechanischen Oszillatoren verwendet werden, die zu dem transversalen Abstand Ω im Hohlraum schwingen, d. h., wir nehmen an, dass ωm ≈ Ω. Der Modenabstand beträgtfür einen plankonkaven Spiegelhohlraum, der um die Hälfte der Grenzwellenlänge beabstandet ist, und typische Werte für Ω/2π sind dutzende von GHz. Es scheint vorteilhaft zu sein, eine gewisse Spiegelkrümmung zu verwenden, um sowohl das Photonengas räumlich einzuschließen als auch ein BEC mit wahrem Gleichgewicht bei einer finiten Temperatur in dem zweidimensionalen System zu ermöglichen. Mechanische Schwingungsfrequenzen in der Größenordnung von typischen transversalen Einfangfrequenzen des Photons, die im GHz-Bereich liegen, können nicht mit einem einzelnen Spiegel mit ausreichend großem Durchmesser erreicht werden, um das thermalisierte Modenspektrum einzufangen. Stattdessen ist der Einsatz einer segmentierten Geometrie mit vielen nanomechanischen Spiegeln, wie in
Während der Thermalisierung ist es essentiell, die Quantenzahlen der transversalen Moden so zu variieren, dass sie – anders als bei einem Schwarzkörperstrahler – die Zerstörung oder Erzeugung von Photonen blockieren. Wir erwarten, dass diese Bedingung in dem Bereich von hωcutoff << kBT gut erfüllt wird. Die thermische Emission von Photonen wird dann um einen Faktor in der Größenordnung vonunterdrückt, was ~exp(–40) für kBT ≅ 1/40 eV (Raumtemperatur) undbei 1,2 μm Grenzwellenlänge ist.During thermalization, it is essential to vary the quantum numbers of the transverse modes so as to block the destruction or generation of photons, unlike a blackbody radiator. We expect that this condition will be well met in the range of hω cutoff << k B T. The thermal emission of photons is then by a factor of the order of suppressed what ~ exp (-40) for k B T ≅ 1/40 eV (room temperature) and at 1.2 μm cut-off wavelength.
Bei dem mikroskopischen Prozess der Thermalisierung handelt es sich hier um Photonenstreuungsprozesse, die die Absorption bzw. Emission von Phononen beinhalten, wie in
Nachfolgend wird eine Ableitung der asymptotischen Verteilungsfunktion des Photonengases unter Verwendung einer detaillierten Ausgleichsbehandlung angestrebt. Weiterhin wird die Mehrfachreflexion von Licht zwischen einem der beweglichen Spiegelsegmente und dem festen Rückspiegel betrachtet, wie in
Im Gleichgewicht sind die Übergangswahrscheinlichkeiten aufgrund des detaillierten Ausgleichs identisch. Weiterhin sind die Beträge der Matrixelemente M12,34 und M34,12 identisch, woraus n1/(n1 + 1)·n2/(n2 + 1) = n3/(n3 + 1)·n4/(n4 + 1) folgt. Falls man Energieerhaltung, E1 + E2 = E3 + E4, annimmt und dass die Gleichgewichtsverteilungsfunktionen nur von der Energie abhängen, kann man ohne weiteres zeigen, dass die Verteilungsfunktionen im thermischen Gleichgewicht mit μph als Konstante, dem chemischen Potential, alsgeschrieben werden kann.At equilibrium, the transition probabilities are identical due to the detailed compensation. Furthermore, the amounts of the matrix elements M and M 12,34 34,12 are identical, resulting in n 1 / (n 1 + 1) · n 2 / (n 2 + 1) = n 3 / (n 3 + 1) * n 4 / (n 4 + 1) follows. If one assumes energy conservation, E 1 + E 2 = E 3 + E 4 , and that the equilibrium distribution functions depend only on the energy, it can be easily shown that the distribution functions in thermal equilibrium with μ ph as a constant, the chemical potential, as can be written.
Es wird eine Bose-Einstein-Verteilungsfunktion erreicht. Anders als bei den Zwischenpartikelkollisionen eines Atomgases erfolgt die Thermalisierung bezüglich eines externen Reservoirs, das durch die beweglichen Spiegeloszillatoren bereitgestellt wird. Der Einfachheit halber wird angenommen, dass die Spiegel zusammen mit ihrer mechanischen Aufhängung ausreichend große Wärmekapazität besitzen, dass ihre Temperatur unverändert bleibt. Für eine endliche Wärmekapazität wird je nach der Wellenlänge der einfallenden Pumpstrahlung relativ zu der des emittierten optischen Spektrums die Aufhängung eine Abkühlung oder Erwärmung durch die optische Strahlung erfahren. Die Gleichgewichtsverteilung des Photonengases in dem Mikroresonator wird untersucht, und die nachfolgende Erörterung folgt auf frühere Arbeit an dem farbstoffgefüllten System. Kurz gesagt kann in der paraxialen Grenze und für vernachlässigbare Wechselwirkungen die Photonenenergie geschrieben werden als E ≅ meffc2 + (hkr)2/2meff + ½ meffΩ2r2, wobei eine effektive Photonenmasse definiert ist und kr und kz Wellenzhlen der transversalen bzw. longitudinalen Moden des Photons bezeichnen. Das System ist formal äquivalent zu einem zweidimensionalen, harmonisch eingeschlossenen System von massiven Bosonen, für die ein Bose-Einstein-Kondensat bei einer endlichen Temperatur existiert. Falls wir die zweifältige optische Polarisationsentartung berücksichtigen, beträgt die Modenentartung bei Frequenzen gleich oder über der Grenze, d. h. für ω ≥ ωcutoff, g(ω) = 2((ω – ωcutoff)/Ω + 1), und wir erhalten eine frequenzabhängige Photonenanzahlverteilung wobei eine energieverschobene Definition des chemischen Potentials mitverwendet wird, um die übliche Konvention von μ -> 0 in dem fernen quantenentarteten Bereich zu erfüllen. Bei einer konstanten Temperatur wird ein Bose-Einstein-Kondensat erwartet, nachdem die Photonenanzahl eine kritische Partikelanzahl übersteigt. Bei Raumtemperatur, T = 300 K, und unter der Annahme einer Fallenschwingungsfrequenz Ω/2π = 10 GHz erhalten wir Nc ≅ 1,3·106, was einer kritischen optischen Leistung im Hohlraum von etwa 54 W entspricht, was durchaus machbar ist. Vorausgesetzt, die Thermalisierung wurde erreicht, wird ein breitbandiges optisches Spektrum über der in eine scharfe Kondensatspitze umzuwandelnden kritischen Photonenanzahl liegen mit einer makroskopischen Photonenpopulation an der Position der Grenze auf einer breiten thermischen Schulter (siehe
Nachfolgend wird eine Schätzung der Thermalisierungszeit des Photonengases angegeben, wobei ein klassisches Modell verwendet wird, das auf der Erzeugung einer optischen Nebenbande während der Reflexion von thermisch schwingenden Spiegelsegmenten basiert. Für einen Lichtstrahl der Frequenz ω, der durch einen der Teilhohlräume hindurchtritt, die durch ein Spiegelsegment und den Rückspiegel gebildet werden, wobei z(t) = z0sinωmt die Longitudinalverschiebung eines periodisch schwingenden Spiegelsegments bezeichnet (in seiner Mitte gemessen). Die räumliche Bewegung führt zu einer periodischen Phasenverschiebung Δφ(t) = 2π N·2z(t)/λ der optischen Welle nach N Reflexionen (die Geometrie ist so wie in
Wenn eine mechanische Schwingungsfrequenz ωm so gewählt wird, dass sie mit dem Abstand der transversalen Moden schwingt, d. h. ωm ≅ Ω (siehe die obige Erörterung), erwarten wir den Transfer eines optischen Schwingungsquantums bei etwa (2πz0,av/λ)2N2 ≅ 1 (was die Bedingung dafür ist, dass die Nebenbanden so groß wie der Träger werden). Die thermische Energie wird erreicht nach einer Anzahl von Reflexionen was als eine Schätzung für die erforderliche Anzahl an Reflexionen in dem Hohlraum dienen kann, die die Thermalisierungszeitskala bestimmt. Unter der Annahme einer Masse des nanomechanischen Oszillators pro Spiegelsegment von m ≅ 10–16 kg entsprechend den schwingenden Massen der subwellenlängengroßen, siliziumbasierten Mikrochipstrukturen und T = 300 K wirderhalten. Für eine zweidimensionale Photonengasgeometrie wird die Anzahl an Spiegelsegmenten in dem optischen Modus in der Größenordnung von 100 × 100 betragen und Ntotal ≅ 5,8·1010 für λ ≅ 1,2 μm sein. Eine Alternative wäre die Verwendung einer eindimensionalen Photonengasgeometrie, die für eine planare Hohlraumstruktur verwendet werden könnte, was unter Verwendung einer lithografischen Strukturierung von Silziummikrochipsubstraten leichter herzustellen erscheint. Die Anzahl an Spiegelsegmenten wird hier auf grob Nseg ≅ 100 reduziert, und es wird entsprechend geschätzt Ntotal ≅ 5,8·109. In dieser eindimensionalen Geometrie muss das Fallenpotential (mindestens etwas) einschränkender sein als parabolisch, um die Ausbildung eines BEC bei endlichen Temperaturen zu gestatten. Dies führt zu einem nichtäquidistanten Abstand von transversalen Moden, so dass die Resonanzbedingung mit den schwingenden Spiegelsegmenten durch das Spektrum der transversalen Moden hinweg nicht präzise erfüllt werden kann. Eine mögliche Geometrie ist als eine Verallgemeinerung einer siliziumbasierten gekoppelten optischen nanomechanischen Oszillatorgeometrie in
Anders als bei einem Modell für ein farbstoffgefülltes Mikrohohlraum-BEC-System, wo eine Fluktuation der großkanonischen Partikelanzahl aufgrund eines effektiven Partikelaustauschs mit den Farbstoffmolekülen auftreten kann, wird in dem hier erörterten System mit „leerem Hohlraum” die Photonenanzahl in einer idealisierten Versuchssituation streng eingehalten. Dementsprechend kommt es nur zu einem Energieaustausch (aber keinem Zahlenaustausch) mit den Reservoirs, und das Photonengas wird durch ein kanonisches Ensemble gut beschrieben, was zu einer erwarteten Intensitätskorrelationsfunktion g( 2 )(0) = 1 in dem kondensierten Zustand führt.Unlike a model for a dye filled microvoid BEC system where fluctuation of the large canon particle number may occur due to effective particle exchange with the dye molecules, in the empty cavity system discussed herein, the number of photons is strictly maintained in an idealized trial situation. Accordingly, it comes only to an energy exchange (but no numerical exchange) with the reservoirs, and the photon gas is well described by a canonical ensemble, resulting in an expected intensity correlation function g ( 2 ) (0) = 1 in the condensed state.
Als Alternative dazu, sich auf thermische mechanische Bewegung für eine Umverteilung zwischen Hohlraummoden zu verlassen, kann man prinzipiell auch einen externen akustischen Antrieb der Mikrohohlraumstruktur anwenden, z. B. von einer Serie von Hochfrequenzwandlern ähnlich dem, wie sie in akustooptischen Modulatoren verwendet werden, die durch quasizufällige Hochfrequenzsignale angetrieben werden. Dies gestattet größere Schwingungsamplituden als die thermische Bewegung und könnte die Kopplung zwischen Moden vergrößern. Wenngleich ein derartiger Antrieb nicht zu einer Wärmegleichgewichtsverteilung von optischen Moden führt, kann er dennoch eine makroskopische Akkumulation des optischen Grundzustandsmodus gestatten. Ein alternatives Verfahren zum Erzielen einer Thermalisierung des Photonengases in einem Mikroresonator durch optomechanische Mittel ist das Streuen von Licht von in dem Resonator platzierten mikroskopischen Nanokugeln, deren Positionen thermische Fluktuationen erfahren, die wohlbekannte Brownsche Bewegung. Eine Resonanzkopplung an den Hohlraumtransversalmodenabstand erfordert die Verwendung von hochfrequenten (~GHz) Brownschen Fluktuationen.As an alternative to relying on thermal mechanical motion for redistribution between cavity modes, one can in principle also apply an external acoustic drive to the microcavity structure, e.g. From a series of high frequency transducers similar to those used in acousto-optic modulators driven by quasi-random radio frequency signals. This allows larger vibration amplitudes than the thermal motion and could increase the coupling between modes. While such a drive does not result in a thermal balance distribution of optical modes, it may still allow for macroscopic accumulation of the optical ground state mode. An alternative method of achieving thermalization of the photon gas in a microresonator by optomechanical means is the scattering of light from microscopic nanospheres placed in the resonator whose positions undergo thermal fluctuations, the well-known Brownian motion. Resonance coupling to the cavity transverse mode spacing requires the use of high frequency (~ GHz) Brownian fluctuations.
Abschließend wird eine Thermalisierung eines niedrigdimensionalen Photonengases in einem Mikrohohlraum durch optomechanische Wechselwirkungen mit der thermischen Umgebung erreicht. Die Umwandlung der breitbandigen optischen Strahlung in einen Bose-Einstein-Kondensatzustand mit einer kohärenten, makroskopisch belegten optischen Grundzustandsmode wird durch rein mechanische Reflexionen von thermisch schwingenden Spiegeloberflächen vorgelegt. Technische Vorzüge einer derartigen kohärenten Lichtquelle würden die Abwesenheit einer erforderlichen Übereinstimmung mit einer Atom-, Molekül- oder Festkörperresonanzlinie beinhalten. Eine derartige optomechanische Lichtquelle fügt der Synthetisierung auf dem Gebiet der Optik ein fundamental neues Konzept hinzu, was auf einer Umverteilung von optischen Frequenzen anstatt von Emissions-(und/oder Absorptions-)Prozessen von Strahlung basiert.Finally, thermalization of a low-dimensional photon gas in a microvoid is achieved by optomechanical interactions with the thermal environment. The conversion of the broadband optical radiation into a Bose-Einstein condensed state with a coherent, macroscopically occupied optical ground state mode is presented by purely mechanical reflections of thermally oscillating mirror surfaces. Technical advantages of such a coherent light source would include the absence of a required match with an atomic, molecular or solid-state resonance line. Such an opto-mechanical light source adds a fundamentally new concept to the synthesis in the field of optics, based on a redistribution of optical frequencies rather than emission (and / or absorption) processes of radiation.
Figurenlegenden:Figure legends:
Der kleine Spiegelabstand erlegt eine niederfrequente Grenzfrequenzauf, was der Eigenenergie der longitudinalen n = 1 und transversalen TEM00-Moden entspricht. Das Spektrum der höheren transversalen Moden der longitudinalen n = 1 Modenmannigfaltigkeit ergibt sich aus den erwähnten Energieniveaus bei höheren Frequenzen.The small mirror spacing imposes a low-frequency cutoff frequency which corresponds to the intrinsic energy of the longitudinal n = 1 and transversal TEM 00 modes. The spectrum of the higher transverse modes of the longitudinal n = 1 mode manifold results from the mentioned energy levels at higher frequencies.
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