Optische räumliche Solitonen in photorefraktiven Medien


Wenn sich ein Lichtstrahl in einem Medium ausbreitet, verliert er seine ursprüngliche Form. Selbst ein hochparalleler Strahl, wie er von einem Laser erzeugt wird, erfährt dieses Beugung genanntes Phänomen, wie jeder selbst zu Hause mit einem handelsüblichen Laserpointer feststellen kann. Nach einigen Metern Ausbreitung im Raum hat sich der Lichtstrahl wesentlich verbreitert. Auch kurze Laserpulse erfahren übrigens mit der Dispersion einen Effekt, der in diesem Fall dessen zeitliches Profil zerfließen lässt.

 

Die nichtlineare Optik gibt uns die Möglichkeiten, sowohl Beugung als auch Dispersion mit Hilfe nichtlinearer Effekte zu kompensieren. Dies geschieht durch eine lokale Änderung des Brechungsindex, wie sie in photorefraktiven Materialien möglich ist - dmait kann sich eine fokussierende Linse im Medium ausbilden, die den Strahl fokussiert. Balanciert dieser als Selbstfokussierung bezeichneter Effekt gerade die Beugung des Strahls aus, kann sich ein sogenanntes optisches räumliches Soliton ausbilden. Der Laserstrahl verändert nun während seiner Ausbreitung im nichtlinearen Material sein räumliches Profil nicht mehr! Aufgrund der verwendeten photorefraktiven Materialien und des für die Entstehung der rämlichen Solitonen verantwortlichen photorefraktiven Effektes werden sie auch als photorefraktive Solitonen bezeichnet.

Photorefraktivemedien
Numerische und experimentelle Beobachtung der Beugung und Selbstfokussierung eines optischen Strahls im nichtlinearen Medium.


Neben den speziellen hochinteressanten Eigenschaften photorefraktiver Solitonen lassen sich vielfältige Wechselwirkungseffekte dieser Objekte untersuchen. Photorefraktive Solitonen können sich im Gegensatz zu klassischen Solitonen sowohl abstoßen und anziehen als auch fusionieren. Dazu haben wir zunächst die Wechselwirkung einzelner Solitonen intensiv analysiert.

Betrachtet man komplexere Anordnungen photorefraktiver Solitonen, dringt man auf das Gebiet der Solitonenarrays vor, bei denen insbesondere die Wechselwirkungen und Stabilität von Interesse ist. Für potentielle Anwendungen in der parallelen optischen Datenübertragung untersuchen wir die Wellenleitungseigenschaften solcher Strukturen und versuchen die Packungsdichte, d.h. die Anzahl der Solitonen pro Querschnittsfläche des Materials, zu erhöhen. Nichtlineare Gitter und photonische Strukturen sind dann die konsequente Weiterentwicklung dieses Ansatzes.

Ein weiteres aktuelles Forschungsgebiet stellen gegenläufig propagierende Solitonen dar, die durch die systemimanenten Rückkopplungseffekte deutlich andere Wechselwirkungsverhalten als kopropagierende Solitonen aufweisen. In unseren ersten Studien dazu haben sich Hinweise auf irreguläres und chaotisches Verhalten gezeigt, die ein solches System als Modellsystem für nichtlineare Dynamik qualifizieren könnten.