Nichtlineare Effekte

Nichtlineare Effekte spielen auch in der modernen Optik eine wichtige Rolle. Durch Licht-Materie-Wechselwirkung wird es möglich, mit Licht optische Eigenschaften von Materialien gezielt zu beeinflussen, wobei sich diese Veränderungen dann direkt auf die Ausbreitung des Lichts selber auswirken. Dies ermöglicht zukunftsweisende Konzepte unter dem Schlagwort: „Licht steuert Licht“.

Das Phänomen der Selbstfokussierung von Licht hat in der Vergangenheit sehr große Aufmerksamkeit im Bereich der Nichtlinearen Optik erregt. Während sich lokalisierte Lichtfelder während ihrer linearen Ausbreitung durch Beugung verbreitern, können nichtlineare Effekte dem gerade entgegenwirken und den Strahl fokussieren. Stellt sich nun eine Balance zwischen beugungsbedingter Strahlverbreiterung und nichtlinearer Selbstfokussierung ein, können sich lokalisierte Strukturen, so genannte optische Solitonen bilden, die sich durch eine unveränderte, sich selbst stabilisierende räumliche Struktur auszeichnen.

Die Kombination auf Nichtlinearität und photonischen Gittern ermöglich eine Vielzahl neuer Möglichkeiten für rein optische Steuerung und Schaltung von Licht [1,2].  So ist es zum Beispiel möglich, in einer zweidimensionalen Struktur aus vier gekoppelten Wellenleitern (s. Abbildung 1) einen binären, intensitätsabhängigen Schalter zu realisieren, der die topologische Ladung eines optischen Wirbels als Zustandsgröße schaltet [3]. Bei geringen Intensitäten kehrt sich die Ladung eines eingehenden diskreten Wirbels um, bei hohen Intensitäten hingegen bleibt sie erhalten und es bildet sich ein sogenanntes Vortex-Soliton [4].

Selbstverständlich ist man bei der Untersuchung von nichtlinearen Effekten und der Ausbildung von Solitonen nicht auf eine bestimmte Konfiguration von optischen Wellenleitern beschränkt. Vielmehr findet man für eine Vielzahl verschiedener photonischer Gittern Solitonen mit faszinierenden Eigenschaften. In einem zweidimensionalen Gitter mit parabelförmiger Brechungsindexmodulation zum Beispiel, lassen sich Solitonen erzeugen die während der Propagation eine räumliche Oszillation vollführen [5].

Auch die faszinierende Klasse der [beschleunigten Strahlen] lässt sich mit Nichtlinearität kombinieren und so die Wechselwirkung zwischen Beschleunigung und nichtlinearer Selbstfokussierung untersuchen. Am Beispiel der nichtlinearen Wechselwirkung mehrerer zweidimensionaler Airy-Strahlen wurde gezeigt, dass deren Beschleunigung zusammen mit der Nichtlinearität zur Ausbildung von räumlichen Solitonen oder Soliton-Paaren führt [6]. Dabei ermöglicht es die Nichtlinearität, dass die Airy-Strahlen gegenseitig wechselwirken und ihre Beschleunigungen gegenseitig kompensieren (s. Abbildung 2).

Referenzen:
[1]     F. Lederer, et al., “Discrete solitons in optics,” Phys. Rep. 463, 1 (2008)
[2]     P. Rose, M. Boguslawski, and C. Denz, “Nonlinear lattice structures based on families of complex nondiffracting beams,” New J. Phys. 14, 033018 (2012).
[3]     F. Diebel, C. Denz, et al., “All-optical switching in optically induced nonlinear waveguide couplers All-optical switching in optically induced nonlinear waveguide couplers,” Appl. Phys. Lett. 104, 261111 (2014).
[4]     B. Terhalle, C. Denz, et al. „Observation of Multivortex Solitons in Photonic Lattices,” Phys. Rev. Lett. 101, 013903 (2008).
[5]     F. Diebel, P. Rose, M. Boguslawski, and C. Denz, “Observation of spatially oscillating solitons in photonic lattices;” New J. Phys. 18, 053038 (2016).
[6]     F. Diebel, C. Denz, et al., “Soliton formation by decelerating interacting Airy beams,” Opt. Express 23, 24351 (2015).