Lokalisierte Strukturen in der nichtlinearen Optik

Strukturbildende physikalische Systeme bilden an der Schwelle zur Strukturentstehung in den meisten Fällen mehr oder weniger räumlich periodische Strukturen aus, beispielsweise hexagonale Gitter. Daneben ist es aber möglich, daß isoliert in engen räumlichen Bereichen großamplitudige Abweichungen vom homogenen Zustand auftreten, sogenannte "lokalisierte Strukturen". In optischen Systemen könnten lokalisierte Strukturen als Grundelement für neue Methoden der Informationsverarbeitung dienen und sind deshalb vom Standpunkt des Anwenders von potentieller Bedeutung. Wegen der Möglichkeit, in geeignet ausgewählten optischen Systemen einen detaillierten Vergleich von Theorie und Experiment durchzuführen, sind lokalisierte optische Strukturen aber auch von grundsätzlichem Interesse.

In einem von uns seit längerer Zeit untersuchten und experimentell und theoretisch gut beherrschten nichtlinearen optischen System konnten gezielt lokalisierte Strukturen gezündet werden. Durch Ausnutzen von Polarisationseffekten konnten sie auch kontrolliert wieder gelöscht werden. Damit ist eine neue grundsätzliche Möglichkeit zum Löschen demonstriert worden, als Voraussetzung für die meisten Anwendungsvorschläge ist.

In dem System konnten auch mehrere lokalisierte Strukturen generiert werden, die miteinander wechselwirken. Dabei treten gebundene Zustände aus mehreren lokalisierten Strukturen auf ("Moleküle" und "Cluster"). Insbesondere wurde experimentell gezeigt, daß es verschiedene gebundene Zustände aus zwei elementaren lokalisierten Strukturen geben kann.

Die beobachteten lokalisierten Strukturen sind großamplitudige Abweichungen vom homogenen Zustand und können deshalb nicht durch störungstheoretische Methoden beschrieben werden. Zu ihrer theoretischen Beschreibung mußte vielmehr teilweise ein neues Instrumentarium entwickelt werden. Es gelang, ein Verfahren zur Berechnung stationärer Zustände mit Hilfe von diskreten Hankeltransformationen zu realisieren. Der Mechanismus der Entstehung der beobachteten lokalisierten Strukturen und der gebundenen Zustände aus zwei lokalisierten Strukturen konnte aufgeklärt werden.

Beteiligte Wissenschaftler:

Dr. Thorsten Ackemann, Dipl.-Phys. Marc Feldmann, Prof. Dr. Wulfhard Lange, Dr. Yuri Logvin, Dipl.-Phys. Burkhard Schäpers

Veröffentlichungen:

Schäpers, B., M. Feldmann, T. Ackemann, W. Lange: Interaction of localized structures in an optical pattern-forming system. Phys. Rev. Lett. 85, 748 (2000)

Logvin, Yu.A., B. Schäpers, T. Ackemann: Stationary and drifting localized structures near a multiple bifurcation pointPhys. Rev. E 61, 4622 (2000)