Herstellung photonischer Strukturen

Photorefraktive Kristalle

Photorefraktivität beschreibt die Änderung des Brechungsindex als Ursache einer einfallenden Intensitätsverteilung auf ein photorefraktives Medium. Dabei regen Photonen Ladungsträger an, die sich aufgrund komplexer Transportmechanismen umverteilen. Ein resultierendes Raumladungsfeld führt über den Pockels-Effekt zu einer entsprechenden Brechungsindexänderung.

Opticalinduction
Optische Induktion

In Experimenten benutzen wir überwiegend Cer-dotierte Strontium-Barium-Niobat (SBN) Kristalle. Dieser doppelbrechende Kristall mit typischen Maßen von 5 x 5 x 20 mm3 wird so in das Setup eingebaut, dass seine optische Achse senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtfeldes steht. Parallel zur optischen Achse wird ein externes elektrisches Feld angelegt, das die Nichtlinearität des Kristalls deutlich verstärkt. Brechungsindexmodulationen werden mit ordentlich polarisiertem Licht in den Kristall geschrieben, da der entsprechende elektro-optische Koeffizient gering ist und diese Polarisation somit sehr gut geeignet ist für eine quasi-lineare Induktion. Anschließend findet lineare oder nichtlineare Lichtpropagation in diesen künstlichen dielektrischen Strukturen mit außerordentlicher Polarisation statt, da dieses Lichtfeld aufgrund des vergleichbar großen elektro-optischen Koeffizienten eine starke Nichtlinearität erfährt.

Durch unsere Wahl von SBN als photosensitives Medium profitieren wir von einer großen Flexibilität, da eingeschriebenen Strukturen leicht mittels homogener Weißlichtbeleuchtung gelöscht werden können.

Optische Induktion – Setup

Opticalinduction
Schematischer Aufbau

Die Lichtquelle unseres Setups ist ein frequenzverdoppelter Nd:YVO4 Laser, der cw Laserstrahlung bei einer Wellenlänge von 532nm emittiert bei maximalen Leistungen von 5W. Der linear polarisierte Laserstrahl wird aufgeweitet und mittels eines hochauflösenden räumlichen Lichtphasenmodulators sowohl in der Intensitäts- als auch Phasenverteilung moduliert. Dafür ist eine entsprechende Filterung in der Fourierebene notwendig. Das räumlich modulierte Lichtfeld induziert eine Brechungsindexmodulation in dem photorefraktiven Kristall. Eine in Propagationsrichtung bewegliche Kamera mit dazu fixiertem Mikroskop-Objektiv ermöglicht das Abrastern des kompletten Lichtfeldes als auch die Abbildung der Eingangs- und Ausgangsfeldverteilung vor bzw. hinter dem Kristall. Dabei können sowohl Intensität als auch Phase gemessen werden. Ebenso wie der beschriebene Aufbau des Schreibstrahls wird ein zweiter Strahlteil räumlich moduliert und kann – außerordentlich polarisiert – als Probenstrahl verwendet werden.

Optische Induktion – Techniken

In den letzten Jahren haben wir Techniken zur beliebigen Strukturierung von photorefraktiven Materialien verbessert und uns auf dem Gebiet der Strahlformung als Hilfsmittel zur Realisierung mannigfaltiger Effekte professionalisiert.

Im Sinne der Parallelisierung wurde mit großem Forschungsaufwand das Themengebiet der nichtbeugenden Strahlen enorm erweitert. Diese Strahlen behalten während der Propagation ihre transversale Intensitätsverteilung bei und propagieren invariant über eine Distanz von über tausenden Beugungslängen. Das ist ausreichend, um mit der zweidimensionalen Intensitätsverteilung eine invariante Struktur über das komplette Volumen des photorefraktiven Kristalls in diesen zu induzieren. Die resultierenden photonischen Strukturen erlaubten es uns vielfältige Effekte – die teilweise nur schwer zugänglich in anderen Bereichen der Forschung sind – in dimensionsreduzierten Systemen zu zeigen und zu untersuchen. Inzwischen wurde die Klasse der nichtbeugenden Strahlen maßgeblich von uns um viele weitere Strahlen ergänzt. In kartesischen Koordinaten wurden vier- und sechszählige (Vortex-behaftete) periodische Gitter erzeugt, aber auch quasikristalline Strukturen wie z.B. die fünfzählige Penrose-Struktur. Zusätzlich realisierten wir Bessel-Strahlen im sphärischen Koordinatensystem, Mathieu-Strahlen in elliptischen und Weber-Strahlen in parabolischen Koordinatensystemen, die jeder für sich einzigartige Charakteristika aufweisen.

Neben diesen relativ geordneten Strukturen ist des Weiteren die Lichtpropagation in ungeordneten, zufälligen Strukturen sehr attraktiv. Dazu erstellten wir zufällige zweidimensionale Lichtfelder und demonstrierten durch entsprechende photonische Strukturen eine Vielzahl quantenmechanischer Effekte, so z.B. Anderson Lokalisierung und coherent backscattering.

Darüber hinaus erschlossen wir das Gebiet der dreidimensionalen photonischen Strukturen. Die sogenannte „Umbrella-Konfiguration“ moduliert den nichtbeugenden Strahl durch Interferenz mit einer in die invariante Richtung propagierenden ebenen Welle, um dreidimensionale periodische und auch helikale Strukturen zu adressieren. Dieser Prozess ermöglicht ebenfalls die parallele Induktion photonischer Strukturen.

Abschließend wurde eine neue Induktionstechnik eingeführt, um die Klasse der deterministischen, aperiodischen Strukturen zu erschließen, die weder Translations- noch Rotationssymmetrien aufweisen. Diese Technik basiert auf der punktweisen Approximation der gewünschten Brechungsindexstruktur durch nichtbeugende Besselstrahlen. Dieser serielle Ansatz ermöglicht auf sehr elegante Weise die Adaption jeglicher zweidimensionaler photonischer Strukturen.