Differenzfrequenzerzeugung

Differenzfrequenzerzeugung bezeichnet die Erzeugung eines Signals bei der Differenz der Frequenzen zweier Eingangssignale oder Lichtwellen. Sie entsteht durch nichtlineare Wechselwirkungen in verschiedenen Systemen und kann sowohl in der Elektronik als auch in der Optik auftreten. Im engeren Sinn wird der Begriff oft für Prozesse verwendet, bei denen eine neue Frequenz genau die Differenz der beiden Eingangsfrequenzen ist.

In der Funktechnik erfolgt die Differenzfrequenzerzeugung durch Mischen zweier Signale f1 und f2 in einem nichtlinearen Bauteil wie einer Diode, einem Transistor oder einem Ringmischer. Das Spektrum enthält neben f1±f2 auch höhere Harmonische. Die Differenzfrequenz fΔ = |f1 − f2| dient häufig als Zwischenfrequenz, etwa in Empfängern, wo sie separiert und weiterverarbeitet wird. Eigenschaften wie Transferkurve, Phasenrauschen und Intermodulation beeinflussen die Qualität der erzeugten Differenzfrequenz.

In der Optik ist Differenzfrequenzgeneration ein nichtlinearer Prozess zweiter Ordnung (χ(2)). Zwei Photonen mit Frequenzen ω1 und ω2 interagieren in einem geeigneten Medium und erzeugen ein Photon mit ω3 = |ω1 − ω2|. Die Effizienz hängt stark von der Phasenabstimmung (Phase Matching), der Gleichtaktung der Pumpwellen und der Länge der Wechselwirkungsstrecke ab. Periodisch gepolte Kristalle (z. B. PPLN, PPKTP) ermöglichen quasi-phasenkorrigierte Prozesse und die Erzeugung von Licht im mittleren Infrarot bis in den Terahertz-Bereich. DFG ist eng verbunden mit Sum- und Doppel-Wellenprozessen (SFG, SHG) und wird in Spektroskopie, Frequenzsynthese und Terahertz-Systemen verwendet.

Zu den Vorteilen gehören hohe Frequenzauflösung und breite Anwendbarkeit, während Einschränkungen wie Effizienz, Rauschen, Spurenbildung und Materialverlust die Umsetzung beeinflussen.