Flüstergalerieresonatoren aus Lithiumniobat

Möchte man ein optisches System kontrollieren und optimieren so muss man es zunächst verstehen. Dafür ist die Kenntnis über die fundamentalen physikalischen Prozesse wichtig. Dazu zählen auch die Limitierungen des Systems. Ebendiese werden in der vorliegenden Arbeit für das System Flüstergalerieresonator (FGR) aus Lithiumniobat (LN) untersucht. In diesem monolithischen Resonatortyp wird Licht durch totale interne Reflexion geführt und lediglich durch Absorption und Streuung des Wirtsmaterials gedämpft. LN wiederum ist eines der treibenden Materialien der nichtlinearen Optik, was es zu einem interessanten Gegenstand der Forschung macht. Aus vorherigen Untersuchungen an LN ist bekannt, dass Verunreinigungen die lineare Absorption und somit die Güte des FGR im sichtbaren und infraroten Spektralbereich, also an den Rändern des Transparenzbereichs dominieren. Eine systematische Untersuchung der Güte in FGR aus LN im gesamten und vor allem im hoch transparenten Bereich fand bisher allerdings noch nicht statt. Für die Ränder des Transparenzfensters wurde demonstriert, dass die Absorption durch thermische Nachbehandlungen reduziert werden kann. Inwiefern solche Behandlungen sich auf den Bereich höchster Transparenz und damit das Gütelimit in FGR auswirken, ist unbekannt. Neben den linearen Verlustmechanismen treten bei hohen Lichtintensitäten in optischen Materialien auch nichtlinear-optische Verluste auf. In FGR wurde beispielsweise die Raman-Streuung als weiterer, die Güte beschränkender Prozess identifiziert. Neben diesem könnten auch Mehrphotonenanregungen oder parasitäre OPO-Prozesse eine Rolle spielen. Auf nichtlineare Verlustkanäle hin wurden FGR aus LN bisher ebenfalls noch nicht analysiert. Obwohl FGR wissenschaftlich bereits seit über zwanzig Jahren eine Rolle spielen, haben sie es bislang kaum aus dem Labor hin zu einer wirtschaftlichen Anwendung geschafft. Dies liegt vor allem an der schwierigen Kontrollierbarkeit der Prozesse und Effekte. Hohe Intensitäten in optischen Materialien bergen auch das Risiko von Instabilitäten und parasitären Effekten. So zeigen Untersuchungen in FGR aus LN, dass verschiedene Prozesse, beispielsweise der photorefraktive Effekt, zur zeitlichen Verschiebung der Resonanzen des Resonators führen. Bei der Vielzahl an Effekten, die LN birgt, ist es jedoch unwahrscheinlich, dass der photorefraktive Effekt alleine für Instabilitäten verantwortlich ist. Eine systematische Untersuchung der Instabilitäten ist angebracht. Insgesamt besteht also noch Handlungsbedarf bei der Charakterisierung von FGR aus LN hinsichtlich ihrer Güte und zeitlichen Frequenzstabilität. Genau diesen beiden Themen widmet sich die vorliegende Arbeit. Dazu werden nach einer Einführung in das Konzept des FGR (Kapitel 2) die linearen Verlustkanäle in FGR aus LN untersucht. Dabei wird die Grenze der Güte ausgelotet, und Veredelungsverfahren werden erprobt (Kapitel 3). Anschließend rücken die nichtlinear-optischen Verlustkanäle in den Fokus der Betrachtung (Kapitel 4). Im Mittelpunkt stehen dabei die Raman-Streuung und parasitäre OPO-Prozesse. Welche physikalischen Effekte Einfluss auf die zeitliche Stabilität der Resonanzen eines FGR nehmen, wird in Kapitel 5 untersucht. Dazu werden zunächst die möglichen Ursachen einer Frequenzverschiebung herausgearbeitet, bevor die Effekte selbst getrennt voneinander untersucht werden. Abschließend werden die Ergebnisse dieser Arbeit in Kapitel 6 zusammengefasst.