Frequenzverdopplung mit Hilfe von Brechungsindexgittern

In unserer Arbeitsgruppe "Nichtlineare Photonik" untersuchen wir neuartige Möglichkeiten, die Propagation von Licht zu beeinflussen und zu kontrollieren. Hierbei spielen besonders nichtlineare Effekte eine wichtige Rolle, weil diese eine Wechselwirkung zwischen unterschiedlichen Lichtfeldern ermöglichen. Vor diesem Hintergrund hat sich in den letzten Jahren ein aktives Forschungsfeld entwickelt und insbesondere die Untersuchung von nichtlinearen photonischen Strukturen hat hier viele interessante Ansätze hervorgebracht.

 

 

Ein Effekt, der in optisch nichtlinearen Kristallen ausgenutzt wird, ist die optische Frequenzkonversion, um z.B. infrarotes Laserlicht in sichtbares Laserlicht zu konvertieren. Bei der Frequenzverdopplung (engl. Second-Harmonic Generation) beispielsweise ist die Konversionseffizienz am größten, wenn die Phasengeschwindigkeiten der beteiligten Wellen gleich groß sind. Eine elegante Art, um diese Phasenanpassung zu erzielen, ist es, die Nichtlinearität im verwendeten Kristall zu strukturieren. Je nach Art der Strukturierung – periodisch, quasiperiodisch oder zufällig – lassen sich die Emissionseigenschaften des SHG Lichtes wie die spektrale Bandbreite und Ausbreitungsrichtung anpassen.

Eine Art von nichtlinearen photonischen Strukturen sind periodisch gepolte Lithiumniobat-Kristalle. Die Nichtlinearität wird in diesem Material moduliert, indem der Kristall mit strukturierten Elektroden versehen wird und dann einzelne ferroelektrische Domänen durch Anlegen eines elektrischen Feldes invertiert werden. Diese Strukturen eignen sich dann aufgrund ihrer Periodizität zur Frequenzverdopplung einer definierten Wellenlänge. Relativ einfach lassen sich in einigen ferroelektrischen Kristallen wie Strontiumbariumniobat oder Bariumtitanat durch Aufheizen und Abkühlen der Kristalle ungeordnete Domänen erzeugen. Die ungeordnete nichtlineare Struktur führt im Allgemeinen zu einer zusätzlichen transversalen räumlichen Abstrahlung von SHG Licht und die Bandbreite des Phasenanpassungsprozesses ist deutlich größer als in periodisch strukturierten nichtlinearen Kristallen.

In dieser Bachelorarbeit wird ein Volumenphasengitter in einem Lithiumniobat-Kristall für die nichtkollineare Frequenzverdopplung genutzt. Das Brechungsindexgitter dient hier als Beugungsgitter, um die Fundamentalwelle in zwei Teilwellen aufzuspalten, welche zusammen die nichtkollineare Phasenanpassungsbedingung erfüllen. Als Resultat erhält man zwei frequenzverdoppelte Laserspots, welche unter einem Winkel zur Fundamentalwelle abgestrahlt werden. Die Brechungsindexgitter sollen mittels der Femtosekunden-Laser-Lithographie in dem Kristall induziert werden. Untersucht wird der Einfluss von verschiedenen Gitterparametern wie Periode, Dicke, Chirp usw. auf die Frequenzverdopplung.

Diese Abschlussarbeit ist geeignet für engagierte Studentinnen und Studenten, die sich für nichtlineare Optik und Photonik interessieren und an aktueller Forschung mitarbeiten möchten. Eigenständiges wissenschaftliches Arbeiten aber auch der regelmäßige Austausch mit Kollegen, der Umgang mit ultrakurzen Laserpulsen sowie grundlegende Programmieraufgaben begleiten die tägliche Laborarbeit. Auch die Interpretation und Präsentation der eigenen Ergebnisse sind Teil einer solchen Abschlussarbeit. Zusätzlich werden automatisch Fertigkeiten im Umgang mit (englischsprachiger) Fachliteratur erworben oder vertieft.

 

 

 

Beginn der Arbeit: ab Februar 2013

Ansprechpartner: Dr. Jörg Imbrock