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Prof. Dr. Cornelia Denz

Nichtlineare Photonik

Optische Verfahren werden immer mehr zum Motor für technische Entwicklungen in der Informationstechnologie. So werden zur Zeit optische Fibernetze für die Datenkommunikation mit einer Rate von 1000 Metern pro Sekunde verlegt.

Zudem sind optische Speichertechniken wie die Compact-Disk (CD) oder die Digital Versatile Disk (DVD) inzwischen weit verbreitet. Dennoch fordert der ständig wachsende Bedarf an Speicherkapazität und höheren Datentransferraten ganz neue Verfahren, um mit den Anforderungen des Multimediazeitalters Schritt zu halten.

Hier kann die nichtlineare Optik durch ihre inhärente Parallelität und die hohe, nur durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzte Verarbeitungsgeschwindigkeit große Vorteile aufweisen. Während Methoden wie die nichtlineare Brechungsindexmodulation dazu genutzt werden, auf direkte Weise neue Speichertechnologien zu realisieren, können grundlegende Effekte wie die spontane Bildung von Mustern in optischen Systemen helfen, neue Wege in der Informationsverarbeitung zu gehen, die dem komplexen menschlichen Denken weitaus näher sind als heutige Computeralgorithmen.


Holographische Datenspeicherung

Volumenhologramme gelten als zukunftsträchtige Möglichkeit zur Lösung aktueller Speicherbedarfsprobleme. Medien von der Größe eines Zuckerwürfels können bereits ein Terabyte Daten speichern. Das Prinzip: ein Laser speichert in einem geeigneten optischen Material - zur Zeit üblicherweise Kristalle - elektronische Muster als Seiten ab.

Auf einer Seite finden Millionen von Bits Platz, auf ein Speichermedium passen Tausende solcher Seiten, da sie durch die Technik des sogenannten Multiplexing an einem Ort überlagert werden können. Mindestens genauso faszinierend sind die extrem schnellen Zugriffsmöglichkeiten: da alle auf einer Seite gespeicherten Daten gleichzeitig abgerufen werden, sind Datentransferraten von Gigabyte pro Sekunde und Zugriffszeiten weit unter einer Millisekunde möglich. Wegen ihrer relativ langsamen Schreibzeiten im Bereich von einigen hundert Millisekunden pro Datenseite, den jedoch schnellen, attraktiven Zugriffszeiten und Datentransferraten, wird heute das Einsatzgebiet solcher Speicher insbesondere in hochkapazitiven Archivdatenbanken gesehen.

Das von uns entwickelte System kann jedoch nicht nur Daten speichern, sondern auch Bildvergleiche und andere arithmetische Operationen rein optisch durchführen. Zudem erlaubt es die Verschlüsselung der Daten. Es wird für Anwendungen in der Datenarchivierung für Bibliotheken, Museen oder in der Medizintechnik und für den digitalen Datenbereich, z.B. für Video-Datenbanken oder Netzwerkdienste weiterentwickelt.

Optische Informationsverarbeitung

Neben der Speicherung ist es unerlässlich, Methoden der Datenübermittlung zu finden, die durch geschickte Techniken den Datenstrom verringern. In unserer Arbeitsgruppe werden dazu zwei Techniken verfolgt. Zum einen ist es möglich, holographische Systeme zur Datenbanksuche zu verwenden, indem neue Eingaben mit den gespeicherten Daten parallel verglichen werden. Diese assoziative Suche ist äquivalent zur Fähigkeit des menschlichen Denkens, auch bei Bruchteilen von Information noch die Gesamtinformation zu "erraten". Assoziative Speicher sind daher geeignet, Tausende von Bilddaten nach bestimmten Kriterien zu durchsuchen. Sie können mit Hilfe der nichtlinearen Optik direkt realisiert werden.

Zum anderen erlaubt die sogenannte Strahlkopplung - ein nichtlinearer Effekt, bei dem zwei Lichtstrahlen in einem Medium derart wechselwirken, dass Sie Energie austauschen - Neuigkeitsfilter zu realisieren. Neuigkeitsfilter können aus Datensätzen nur die sich verändernden Daten filtern, während Gleichbleibendes unterdrückt wird. Neuigkeitsfilter auf der Basis der photorefraktiven Strahlkopplung können daher in Echtzeit Bewegungen filtern. Mit diesem Prinzip ist es uns gelungen, ein Mikroskop zu realisieren, das die Bewegungsdetektion von Mikroorganismen durchführen kann.

Räumliche optische Solitonen

Die Weiterleitung von Daten verlangt nach vollständig optischen Schaltelementen, die je nach Aufgabe flexibel, d.h. adaptiv eingesetzt werden können.

Ein Baustein, der durch den Einfluss von Licht selbst Lichtstrahlen schalten kann, ist daher eine der großen Herausforderungen der Anwendungen der nichtlinearen Optik. Der Effekt der Selbstfokussierung bietet hier ein enormes Potential, solche Verbindungselemente ohne physikalische Drähte zu realisieren. Dieser Effekt ermöglicht es, die sonst bei der Propagation von Lichtstrahlen auftretende Strahlverbreiterung oder auch Beugung zu kompensieren. Bei geschickter Einstellung können sich beide Effekte gerade kompensieren - es entsteht ein Strahl, der sich bei der Fortbewegung nicht mehr verändert, ein sogenanntes optisches Soliton. In unseren Arbeiten realisieren wir solche solitären Strukturen mit Hilfe des photorefraktiven Effekts, so dass der stabile Lichtstrahl - oder die Lichtnadel - einen Wellenleiter im Material formt, der für nachfolgendes Licht als Kanal wirkt. So können in einem Material Wellenleiterverbindungen ohne Drähte geformt und nach Wunsch wieder gelöscht werden.

Neben diesen anwendungsnahen Aspekten sind räumliche optische Solitonen ein attraktives System, um das Verhalten von sogenannten dissipativen Strukturen zu untersuchen. Dadurch, dass dem Soliton zu seiner Bildung ständig Energie zugeführt wird und es diese weitergibt, entsteht ein Gleichgewicht, das charakteristisch ist für solitäre Effekte in der nichtlinearen Physik. Die Natur von diesen dissipativen Solitonen wird besonders deutlich wenn Rückkopplungseffekte auftreten, die die Struktur verstärken. Dies erreichen wir in sogenannten optischen Resonatoren, die Licht in sich selbst zurückkoppeln.

Nichtlineare Dynamik, Selbstorganisation und Strukturbildung

Optische Systeme, in denen Laserstrahlen mit nichtlinearen Materialien wie etwa Gasen, Flüssigkristallen oder Festkörpern (z.B. photorefraktive Kristalle) wechselwirken, können bei Zufuhr von Energie über einen Schwellwert hinaus Verhaltensweisen zeigen, die nicht mehr vorhersagbar sind. So entstehen zeitlich und räumlich chaotischen Verhaltensweisen. Aus diesen wiederum können spontan neuartige, regelmäßige Strukturen, wie z.B. hexagonale Strahlmuster herauswachsen und aufrecht erhalten werden - aus Chaos kann durch Selbstorganisation wieder Ordnung entstehen. Der Bildung dieser selbstorganisierten Strukturen liegen allgemeine Gesetzmäßigkeiten zugrunde, die in theoretischen Modellierungen und numerischen Simulationen in unserer Arbeitsgruppe am Beispiel der photorefraktiven Nichtlinearität beschrieben werden. Solche Effekte können durch Methoden der Chaostheorie erklärt und mit verschiedenen Methoden der definierten Rück-kopplung stabilisiert werden.

Neben dem grundlegenden Verständnis, das durch diese Systeme für die Entstehungsmechanismen von chaotischem Verhalten gewonnen werden kann, können solche Strukturen jedoch auch für neue Ansätze in der Informationsverarbeitung genutzt werden. Eine der Voraussetzungen für diesen Einsatz ist die Kontrolle der Strukturen, so dass definiert Effekte angesteuert werden können. In Systemen mit nichtlinearen Brechungsindexmodulation erproben wir daher Verfahren zur Kontrolle und Manipulation von spontaner Musterbildung. Damit können instabile chaotische Zustände "gezähmt" und für Ansätze in der Datenspeicherung, zur Mustererkennung und zur Realisierung von vernetzten, lernenden optischen Systemen ausgenutzt werden.

Prof. Dr. W. Lange, Dr. T. Ackemann

Quantenoptik und nichtlineare Optik

Die Optik hat einen ungeahnten Aufschwung erlebt, seit mit dem Laser eine Lichtquelle zur Verfügung steht, die zeitlich und räumlich kohärent ist und mit der sehr kurze Pulse erzeugt werden können. Damit ist eine Vielzahl von neuen optischen Techniken möglich geworden. Eine herausstechende Eigenschaft von Laserstrahlen ist die große lokale Strahlungsdichte, die sich mit ihnen erzeugen lässt. Sie führt dazu, dass die Wechselwirkung mit Materie im allgemeinen "nichtlinear" wird. Eine Nichtlinearität kann zum Beispiel darin bestehen, dass die Brechzahl nicht mehr eine (wellenlängenabhängige) materialspezifische Konstante ist, sondern intensitätsabhängig wird. Dieses Phänomen hat vielfältige Folgen. Es bedeutet zum Beispiel, dass der Weg eines Lichtstrahles durch ein Medium von der Intensität abhängig wird und dass verschiedene Lichtstrahlen ein optisches System nicht mehr unabhängig voneinander durchlaufen, sondern dass sie sich gegenseitig beeinflussen, also miteinander "wechselwirken".

Nichtlinearitäten lassen sich vielfältig ausnutzen. In der Elektronik ermöglichen sie zum Beispiel den Übergang von der Analogtechnik zur Digitaltechnik, die viele Vorteile bietet. Insbesondere sind sogenannte "Logikschaltungen" der Elektronik ihrer Natur nach höchst nichtlinear, d. h. sie lassen sich nur mit Hilfe von Nichtlinearitäten realisieren. Es wäre außerordentlich wünschenswert, in Verbindung mit der bereits weitverbreiteten optischen Übertragung von digitalen Signalen auch die Verarbeitung rein optisch vorzunehmen. Da Lichtstrahlen sich im Gegensatz zu elektromagnetischen Wellen im Hoch-frequenz- oder Mikrowellenbereich auf kleine räumliche Gebiete fokussieren lassen, ist es theoretisch möglich, sehr viele "optische Schaltkreise" auf kleinem Raum unterzubringen. Da diese unabhängig voneinander durch Lichtstrahlen angesprochen werden können, sollte sich so eine "parallele optische Informationsverarbeitung" aufbauen lassen. Bisher stehen dem allerdings noch viele technologische Probleme entgegen.

Optische Nichtlinearitäten werden heute schon in großem Umfang ausgenutzt, um Frequenzkonversion zu betreiben, d. h., um beispielweise aus Licht einer gegebenen Wellenlänge mit Hilfe eines geeigneten nichtlinearen Kristalls Licht der halben Wellenlänge zu erzeugen. Sie sind ferner essentiell bei der Erzeugung kürzester Laserpulse im Femtosekundenbereich (1fs = 10-15s). Leider sind sie aber nicht nur nützlich, sondern sie können auch neue Probleme schaffen. Insbesondere geben sie Anlass zu einer Vielzahl von Instabilitäten sowohl bei dem Betrieb von Lasern als auch bei der Wechselwirkung intensiver Laserstrahlen mit Materie. In beiden Fällen ist ein typisches Phänomen, dass die auf einem Auffangschirm betrachtete Intensitätsverteilung des Lichtfeldes sich mehr oder weniger abrupt ändert, wenn nichts anderes getan wird, als die Leistung des Lasers kontinuierlich zu ändern.

Ausbildung von spontanen optischen Strukturen in Alkalidämpfen

Die spontane Entstehung von Strukturen aus einem unstrukturierten Zustand ist ein in der Natur und auch in der Technik sehr verbreitetes Phänomen. Es kann auftreten, wenn ein nichtlineares System durch Energiezufuhr oder durch andere Maßnahmen stark aus dem thermodynamischen Gleichgewicht gebracht wird. Untersuchungen an optischen Systemen könnten Fortschritte bei der Klärung zahlreicher allgemeiner noch offener Fragen der Strukturentstehung bringen, denn optische Experimente sind außerordentlich wandlungsfähig und scheinen sich bei geeignetem Design durch handhabbare theoretische Modelle recht gut näherungsweise beschreiben zu lassen.

In der Arbeitsgruppe werden dazu Alkalidämpfe in einer sorgfältig gewählten Puffergasatmosphäre als nichtlineares Medium benutzt. In diesem Fall können die nichtlinearen optischen Eigenschaften durch eine Vielzahl von experimentellen Parametern in weiten Grenzen variiert werden. Als Lichtquelle dienen abstimmbare Laser, deren Wellenlänge so gewählt ist, dass annähernd - aber nicht vollständig - Resonanz des Lichtfeldes mit einem Übergang in den Alkaliatomen vorhanden ist. Wird die Leistung des Lasers von kleinen Werten aus langsam gesteigert, so wird typischerweise beobachtet, dass bei einem bestimmten Schwellwert der Leistung in der Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahles eine hexagonale Struktur auftritt. Steigert man die Leistung weiter, so werden die hexagonalen Strukturen instabil und es findet ein Übergang zu - im allgemeinen komplizierteren - "sekundären" Strukturen statt oder es treten Strukturen auf, die sich periodisch oder auch ungeordnet ("chaotisch") zeitlich ändern. Unter bestimmten Umständen bilden sich auch bistabile lokalisierte Strukturen, die solitonenartige Eigenschaften haben (sogenannte dissipative Solitonen). Die experimentellen Beobachtungen werden systematisch mit theoretischen Ergebnissen verglichen.

Raumzeitliche Strukturen und ihre Kontrolle in oberflächenemittierenden Halbleiterlasern

Oberflächenemittierende Halbleiterlaser, sogenannte VCSEL, besitzen ein sehr großes Anwendungspotential und haben sich bereits jetzt zu Standardbauelementen in schnellen optischen Kommunikationssystemen entwickelt. Sie neigen aber auf Grund ihrer Bauart stärker als andere Laser zu störenden raumzeit-lichen Instabilitäten. Ferner ist der Polarisationszustand dieser Laser sehr instabil. Es wird versucht, die dabei auftretenden physikalischen Prozesse zu identifizieren und mit theoretischen Modellen zu vergleichen. Die dahinter stehende Strategie zielt darauf, aus einem Verständnis der Prozesse heraus Methoden zur Unterdrückung der Instabilitäten zu entwickeln.

Prof. Dr. H.-G. Purwins, PD Dr. M. Bode, PD Dr. F.-J. Niedernostheide, Dr. J. Berkemeier, Dr. G. Klempt

Selbstorganisierte Strukturen in nichtlinearen dissipativen Systemen

In der Natur beobachtet der Mensch eine überwältigende Fülle von Formen, Mustern und Strukturen. Die Artenvielfalt in der Biologie, Organisationsprozesse im Gehirn, die Wolkenbildung, die Entstehung geologischer Formationen und Muster in der Form von Wasserwellen sind nur einige Beispiele. Alle genannten Strukturen sind das Ergebnis komplexer Selbstorganisationsprozesse. Sie bilden sich in nichtlinearen Systemen, durch die beständig Energie strömt. In solchen dissipativen Systemen kann eine Veränderung der Parameter zu einer drastischen qualitativen Änderung der Struktur und des Systemverhaltens führen (Bifurkation).

Das Verständnis dieser nichtlinearen dissipativen Strukturen sowie deren Beherrschung und Nutzung ist eines der fundamentalen ungelösten Probleme der modernen Naturwissenschaften. Es ist das Anliegen der Arbeitsgruppe Purwins, die genannten dissipativen Strukturen exemplarisch zu erforschen. Zu diesem Zweck werden experimentelle und theoretische Untersuchungen an elektrischen Transportsystemen durchgeführt.

Dissipative Solitonen: eine neue Art von Teilchen

Dissipative Solitonen sind makroskopische lokalisierte Strukturen mit ausgeprägten Teilcheneigenschaften. Sie sind in Gasentladungssystemen experimentell und in Reaktions-Diffusions-Gleichungen theoretisch entdeckt worden und haben etwa für Halbleiter, optische und chemische Systeme und als Nervenpulse große Bedeutung. Dissipative Solitonen zeigen komplexes teilchenhaftes Verhalten: Erzeugung, Vernichtung, Streuung, Reflexion, Molekülbildung, Ausbildung der kristallinen, der flüssigen und der gasförmigen Phase sowie Domänenbildung und Koexistenz verschiedener Phasen sind häufig beobachtete Erscheinungen. In bestimmten Grenzfällen kann die Dynamik dissipativer Solitonen auf ein System gewöhnlicher Differentialgleichungen reduziert werden, womit das Teilchenbild theoretisch begründet und erstmals ein Zugang zu Vielteilchensystemen möglich wird.

Erforschung von Gasentladungssystemen

Dissipative Solitonen und eine Vielfalt anderer dissipativer Strukturen wie Zielscheibenmuster und Spiralen werden in der Stromdichteverteilung von planaren Gleichspannungs- und Wechselspannungssystemen gefunden. Die Systeme bestehen aus zwei planparallelen Elektroden, von denen eine transparent ist, und dem dazwischenliegenden Gasspalt. Im Fall der Gleichspannungsentladung besitzt eine der Elektroden eine zusätzliche hochohmige Halbleiterschicht. Beim Wechselstromsystem befindet sich auf beiden Elektroden eine dielektrische Barriere. Durch eine semimikroskopische Modellierung des Systems und numerische Simulation kann ein Verständnis dissipativer Strukturen in Gasentladungssystemen erreicht und die Grundlage für mögliche Anwendungen geschaffen werden.

Anwendung: ultraschneller Infrarot-Wandler

Das in der Grundlagenforschung untersuchte Gleichstrom-Gasentladungssystem kann auch zur ultraschnellen Wandlung von infrarotem Licht in den sichtbaren Bereich benutzt werden. Damit können erstmals im sichtbaren Bereich arbeitende Kameras zur ultraschnellen Erfassung von infraroten Strahlungsfeldern eingesetzt werden. Der Wandler arbeitet im Wellenlängenbereich von 1-11 mm, hat eine zeitliche Auflösung von bis zu 50ns und eine räumliche Auflösung von 256x256 effektiven Pixeln. Neben der Bestimmung und Optimierung der Parameter des IR-Konverters wird das System in den Bereichen der Laserstrahl-Modenanalyse, der Kontrolle beim Laserstrahlschweißen und bei Schockwellenuntersuchungen eingesetzt.

Erforschung von Halbleitern

Yuch in planaren Halbleitern werden nichtlineare dissipative Strukturen in der Elektrolumineszenzverteilung gefunden. Die experimentelle und theoretische Untersuchung erfolgt an ZnS:Mn-Filmen. Dabei kommen Verfahren wie Photo-Depolarisations-, thermische Depolarisations- und Photolumineszenzspektroskopie zum Einsatz. Die theoretische Beschreibung erfolgt in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Kuhn. Der zweite Forschungsschwerpunkt im Bereich Halbleiter ist die Realisierung lernfähiger Systeme auf der Basis von Selbstorganisationsprozessen in Halbleiterbauelementen. Vorbild ist das Gehirn und seine Eigenschaft, Erlerntes als Vernetzungsmuster zwischen Hirnzellen (Neuronen) zu speichern.

In der Arbeitsgruppe werden thyristorähnliche Bauelemente aus Silizium verwendet, um die Eigenschaft des Lernprozesses auf Hardwarebasis zu implementieren. Die Frontausbreitung in der Thyristorstruktur wird genutzt, um einen Teilschritt eines Lernalgorithmus (Kohonenalgorithmus) zu realisieren, der die räumliche Nachbarschaft auf ähnliche Reize reagierender Neuronen simuliert.

Erforschung von Neuronalen Netzen

Künstliche Nachbildungen von Netzen aus Nervenzellen können dazu genutzt werden, um strukturbildende und Lerneigenschaften von neuronalen Netzen zu untersuchen. Der Kohonen-Algorithmus, der z.B. an der Laut- und Spracherkennung beteiligt ist, wird in Hardwareimplementationen rekonstruiert. In Computersimulationen gelingt es, die Strukturbildung im visuellen Kortex unter dem Aspekt der binokularen Rivalität nachzuvollziehen. Neuere Überlegungen widmen sich dem Zusammenspiel mehrerer Teilnetze, die gemeinsam komplexere Aufgaben erfüllen sollen, sowie dem Phänomen der Begriffsbildung bis hin zu Fragen des Bewusstseins.

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