Raum-zeitliche nichtlineare Optik mit ultrakurzen Laserpulsen

Die Beherrschung und Nutzung ultrakurzer Laserpulse in Raum und Zeit stellt eine große Herausforderung der aktuellen Photonik dar, da sowohl zeitliche als auch räumliche nichtlineare Effekte gleichzeitig kontrolliert werden müssen. Da bei der Propagation von Pulsen in Materialien die Dispersion zu einem räumlichen und zeitlichen Auseinanderlaufen eines Pulses führt, müssen nichtlineare Effekte herangezogen werden, um die Dispersion auszugleichen. So erhält man einen beugungsfrei propagierenden Lichtpuls - ein Soliton. Die Vision, Licht in allen Raumrichtungen und in der Zeit zu stabilisieren - eine "Lichtkugel" oder "optical bullet" - könnte z.B. in der optischen Datenverarbeitung die kleinste Information -  ein Bit - revolutionieren. Bislang sind echte (3+1)-dimensionale optical bullets noch nicht experimentell realisiert worden, da die richtige Kombination aus Material und Nichtlinearität für den passenden Wellenlängen- und Pulsdauer-Bereich eine der größten Herausforderungen nichtlinearer Photonik darstellt.

Wir untersuchen verschiedene numerische und experimentelle Ansätze zur raum-zeitlichen Kontrolle von Lichtpulsen, die neben verschiedenen Nichtlinearitäten insbesondere die periodische Strukturierung von Materialien ausnutzen, um der Vision vollständig kontrollierten und damit für Anwendungen maßgeschneiderten Lichts für die Informationsverarbeitung näher zu kommen. In unserem Labor "Ultrakurze Laserpulse" werden mit Hilfe eines modengekoppelten Titan-Saphir Lasers, eines regenerativen Verstärkers und eines optisch parametrischen Verstärkers ultrakurze Laserpulse mit einer Pulsdauer von wahlweise 120 fs oder 2 ps in einem Wellenlängenbereich zwischen 470 nm und 2,6 µm erzeugt. Durch diesen großen Pulsdauer- und Wellenlängen-Bereich können wir je nach Material verschiedene nichtlineare Effekte und Dispersionsbereiche ausnutzen. Neben der Lichtausbreitung in homogenen nichtlinearen Medien ist die Wechselwirkung von Licht mit periodischen Strukturen eine vielversprechende Möglichkeit, ultrakurze Pulse räumlich und zeitliche zu kontrollieren. Periodische Strukturen lassen sich dabei in Kristallen auch mit Licht induzieren, indem z.B. über den photorefraktiven Effekt der Brechungsindex reversibel geändert wird. Eine permanente periodische Struktur lässt sich in Kristallen oder in Glas ebenfalls mittels ultrakurzer Laserpulse einschreiben ("direct laser writing").

Die räumliche Kontrolle ultrakurzer Laserpulse konnten wir mit einem photorefraktiven Strontiumbariumniobat (SBN) Kristall realisieren. Das räumliche Auseinanderlaufen des Pulses wird durch eine nichtlineare Brechungsindexänderung, welche zu einer Selbstfokussierung des Pulses führt, kompensiert. Wir haben zum ersten Mal mit ps-Pulsen räumliche photorefraktive Solitonen in einem SBN Kristall erzeugt und die spezifischen Eigenschaften dieser Solitonen untersucht. Dabei konnten wir auch Solitonen mit infraroten Pulsen erzeugen, was ein vielversprechendes Potential für weitere Anwendungen darstellt. Aktuell wird die räumliche nichtlineare Wechselwirkung ultrakurzer Pulse mit periodischen Brechungsindexstrukturen untersucht.

Die zeitliche Kontrolle ultrakurzer Laserpulse spielt u.a in der optischen Datenkommunikation eine wichtige Rolle. Durch Überlagerung von lichtinduzierten Brechungsindexgittern können in photorefraktiven Kristallen Superstrukturen mit einer definierten photonischen Resonanz erzeugt werden. Durch Ausnutzen der Resonanz der periodischen Struktur, kann man die Gruppengeschwindigkeit der Pulse beeinflussen, so dass sich "langsames Licht" erzeugen lässt.

Eine optische Strukturierung von Kristallen lässt sich durch Ausnutzen des photorefraktiven Effektes realisieren. Eine periodische Brechungsindexänderung wird in Form eines Hologramms in photorefraktiven Kristallen mit Licht induziert, indem zwei Pulse sowohl räumlich als auch zeitlich in dem Kristall kohärent überlagert werden. Da der photorefraktive Effekt reversibel ist, werden die gespeicherten Hologramme beim Auslesen wieder gelöscht. Um dieses zu verhindern, kann während des Speicherns ein Zwei-Stufen Prozess ausgenutzt werden, indem die Kristalle mit blauem Licht sensibilisiert werden und die Hologramme mit infrarotem Licht geschrieben werden. Während des Auslesens der Hologramme ist das Sensibilisierungslicht ausgeschaltet und das Auslesen ist damit zerstörungsfrei, wobei ein Löschen mit dem Sensibilisierungslicht weiterhin möglich bleibt. Diese Methode der nicht flüchtigen holographischen Speicherung haben wir mit ps-Pulsen in Lithiumniobat (LiNbO₃) Kristallen umgesetzt. Durch Verändern der Schreibwellenlänge können an einer Stelle im Kristall mehrere Hologramme überlagert werden ("Wellenlängen-Multiplexing"), womit sich auch komplexere Gitterstrukturen induzieren lassen.

Ansprechpartner: J. Imbrock