Forschen
Optische Technologien
Nach der Studie „Harnessing Light“ ist für das aktuelle Jahrhundert des Photons die „Elektronik mit Licht“ Richtung weisend. Entsprechend soll Licht mit Licht geschaltet, geleitet oder verstärkt werden. Man erwartet sich davon noch leistungsfähigere Datennetze, neuartige Sensorsysteme und auch optische Computer. Um die Visionen der Photonik umsetzen zu können, sind allerdings neue Eigenschaften von optischen Materialien, Lichtquellen sowie neue Strukturierungs- und Analysemethoden erforderlich.
Deshalb forscht die Arbeitsgruppe „Optische Technologien“ in thematischer Ergänzung zu den anderen Arbeitsgruppen im Institut für Angewandte Physik auf den Gebieten Laserphysik, nichtlineare Frequenzkonversion und Ultrakurzzeit-Optik, um effiziente und miniaturisierte Laserstrahlquellen sowie photonische Systeme mit neuen Funktionalitäten zu realisieren. Die wissenschaftlich-technischen Arbeiten konzentrieren sich insbesondere auf die Wechselwirkung und Kontrolle von kohärenter Strahlung in Zeit und Raum (Abb. 1).
Abb. 1: Diodengepumpter, modengekoppelter Laser für Untersuchungen zur Impulsformung in Zeit und Raum.
Nichtlineare Physik in optischen Wellenleitern
Heutzutage zählen auf Glasfasern basierende Laserstrahlquellen zu den kompaktesten und zuverlässigsten Lasersystemen, weshalb sie in zunehmenden Maß auch in der Kommunikationstechnik eingesetzt werden. Durch geringe Strahlquerschnitte und große Wechselwirkungslängen in fasergestützten Lasersystemen lassen sich aber auch nichtlineare Effekte bereits bei moderaten Lichtleistungen nutzen, um z.B. ultrakurze Laserimpulse zu erzeugen. Da die gezielte Kontrolle von Laserimpulsen in Amplitude und Phase entscheidend für die zukünftige und zuverlässige Anwendung in der Photonik ist, werden neue Möglichkeiten zur Erzeugung und Formung von Lichtimpulsen sowie zur Synchronisierung mehrerer Impulse untersucht. Bei den Untersuchungen der Arbeitsgruppe wird auf passive Methoden gesetzt, bei denen selbstorganisierende Einflüsse die Impulsentstehung und -optimierung unterstützen.
Hierzu werden insbesondere mikrostrukturierte Glasfasern eingesetzt,
die in weiten Grenzen designbare Verhältnisse für die Lichtausbreitung
bieten. So ist z.B. durch die gezielte Wahl des Faserkernquerschnitts
und des Dispersionsverlaufes eine effiziente Erzeugung von
Superkontinua mit kompakten ultrakurz-gepulsten Lasersystemen möglich.
Die resultierenden Superkontinua (Abb. 2), die unter bestimmten
Bedingungen auch Frequenzkämme bilden, können hinsichtlich der
wesentlichen Parameter – Pulswiederholrate und Trägerschlupffrequenz –
für die Präzisionsmesstechnik sowohl kontrolliert als auch stabilisiert
werden. Allerdings führen für weitergehende Anwendungen in der Photonik
die beteiligten nichtlinearen Prozesse zu einem komplexen Verhalten
selbst bei kleinen, teilweise quantenoptisch bedingten Amplituden- und
Frequenzfluktuationen. Der resultierenden Komplexität des
Systemverhaltens angemessen, werden Möglichkeiten zur
Selbstorganisation von Superkontinua untersucht, z.B. zur
weitergehenden zeitlichen Impulskompression oder als rauscharme,
breitbandig durchstimmbare Lichtquellen für messtechnische und
spektroskopische Anwendungen.
Abb. 2: Mit Femtosekunden-Lichtimpulsen in einer mikrostrukturierten Glasfaser erzeugtes Superkontinuum.
Neben den zeitlichen Aspekten bei der nichtlinearen Frequenzkonversion in Wellenleitern, wird in der Arbeitsgruppe „Optische Technologien“ auch die räumliche Wechselwirkung und Kontrolle von transversalen Moden in Multi-Mode-Wellenleitern untersucht. Dazu wird kontinuierliche Strahlung, z.B. aus einem monolithischen Ringlaser, mit Faserverstärkern auf eine mittlere Ausgangsleistung von mehreren Watt gebracht und die Emission räumlich und zeitlich bzgl. der Rauscheigenschaften charakterisiert, die durch die Wechselwirkung der transversalen Moden beeinflusst werden. Mit Hilfe eines Analyse-Resonators, dessen Transmission abhängig von der Modenzusammensetzung des Laserstrahls ist, können die Anteile der verschiedenen enthaltenen transversalen Moden sowie deren Rauschbeiträge in Amplitude, Frequenz und Polarisation analysiert werden (Abb. 3).
Abb. 3: LP1,1 – Anteil einer höheren transversalen Mode nach Propagation in einer Multimode-Faser gemessen mit einem modenselektiven Resonator.
Neuartige optische Medien
In der Photonik sind neben den Lichtquellen aber auch die optischen Eigenschaften der verwendeten Medien für die Lichtausbreitung von großer Bedeutung. Während die Optik bislang im Wesentlichen abhängig von den naturgegebenen Eigenschaften der Glas- und Halbleitermaterialien war, setzt man heutzutage auch auf so genannte photonische Kristalle und effektive Medien. Bei diesen neuartigen Medien kann durch die künstliche Zusammensetzung und Strukturierung der effektive Brechungsindex in weiten Grenzen eingestellt werden. Zu diesem zukunftsträchtigen Themenkomplex werden in der Arbeitsgruppe „Optische Technologien“ die optischen Eigenschaften von randomisierten dotierten und nichtlinearen Nanopartikeln untersucht. Es sollen neuartige, einfache und kostengünstige Lichtquellen realisiert werden, bei denen die optischen Eigenschaften durch gezielte Mischung unterschiedlicher Materialsysteme eingestellt werden können, im Vergleich zu konventionellen Aufbautechniken für Laser und optisch nichtlineare Systeme. Die wissenschaftlich-technischen Arbeiten reichen von der Untersuchung der Wechselwirkung weniger Nanopartikel unter definierter räumlicher Kontrolle mittels optischer Pinzetten (Abb. 4) bis zu randomisierten sowohl nichtlinear optischen als auch laseraktiven Systemen für Anwendungen in der Messtechnik, Sensorik, Umweltanalytik und Medizin.
Abb. 4: Zwei Polymer-Mikrokügelchen optischer Qualität (blau) werden mit zwei getrennten optischen Pinzetten (gelbe Strahlen) gezielt zueinander im Raum ausgerichtet.
Zur räumlichen und zeitlichen Charakterisierung der Nanopartikelsysteme wird an Erweiterungen (nichtlinear) optischer und labelfreier Mikroskopiemethoden gearbeitet, um deren Auflösung und die chemische Selektivität zu verbessern. Darüber hinaus sollen die Nanopartikelsysteme effektive photonische Medien mit neuen (Multi-) Funktionalitäten sowie neuartige breitbandig emittierende, miniaturisierte Lichtquellen und damit einen kosteneffizienten Praxiseinsatz ermöglichen.
