Fachbereich 11 - Physik
Institut für Angewandte Physik
Nichtlineare Optik und Strukturbildung (Prof. Dr. W. Lange)

Spontane Musterbildung und Musterselektion in der transversalen nichtlinearen Optik

Bei hohen Intensitäten, wie sie inbesondere in intensiven Laserstrahlen auftreten, wird die Wechselwirkung des Strahlungsfeldes mit Materie nichtlinear. Durch die Kopplung verschiedener Punkte in der transversalen Ebene - d.h. in der Ebene senkrecht zur Strahlrichtung - aufgrund der während der Ausbreitung des Strahles stattfindenden Beugung kann es zu der spontanen Bildung räumlicher Strukturen verschiedenartigster Form und Symmetrie kommen. Dieses Teilgebiet der Nichtlinearen Optik ist auch als transversale nichtlineare Optik bekannt. Die Notwendigkeit eines tieferen Verständnis dieser Strukturbildungsphänome ergibt sich neben der Bedeutung für technisch eingesetzte Laser und Verstärker auch aus allgemeinen Gesichtspunkten, da die spontane Entstehung von Strukturen aus einem unstrukturierten Zustand ein in der Natur und auch in der Technik sehr verbreitetes Phänomen ist. Nicht zuletzt durch Arbeiten der Arbeitsgruppe hat sich in letzter Zeit gezeigt, dass nichtlineare optische Systeme hervorragend geeignet sind, um grundsätzliche Fragen der Strukturentstehung zu untersuchen. Dies ist das primäre Ziel des Projektes. Letzlich sollten so Beiträge zu dem allgemeinen Problem der Morphogenese in der Natur geleistet werden können.

Der Vorteil optischer Systeme liegt darin, dass in geeignet ausgewählten Fällen verlässliche mathematische Modelle angegeben werden können, so dass ein detaillierter Vergleich zwischen Theorie und Experiment möglich wird. Dies ist insbesondere bei dem in der Arbeitsgruppe untersuchten Medium eines Alkalidampfes in einer Puffergasatmosphäre der Fall. Konkret wird das Verhalten von Alkalimetalldämpfen, die in der Nähe der D-Resonanzlinien durch abstimmbare Laser getrieben werden, mit optischer Rückkopplung untersucht.

Im Berichtszeitraum konzentrierten sich die Untersuchungen auf quasiperiodische Muster und Übergitter, d.h. ausgedehnte Muster, die jedoch komplexer aufgebaut sind als einfache periodische Muster wie Streifen, Quadrate und Hexagone. Diese komplexen Muster sind oft als stark nichtlinear einzustufen, da sie typischerweise durch eine sekundäre Bifurkation aus einem primären Muster (oft Hexagonen) entstehen, wenn der Stressparameter (hier die Laserleistung) weit über die primäre Schwelle zur Strukturbildung aus dem homogenen Zustand erhöht wird. Insbesondere wurde die Existenz von zwei neuen Typen von Übergittern gezeigt und erste Erklärungsansätze entwickelt.

Drittmittelgeber:

Deutsche Forschungsgemeinschaft, Deutscher Akademischer Austauschdienst, European Science Foundation

Beteiligte Wissenschaftler:

HDoz. Dr. Thorsten Ackemann, Dr. Andreas Aumann, Dr. P. Colet (Palma de Mallorca), Dr. D. Gomila (Palma de Mallorca), Dr. Edgar Große Westhoff, Dr. Ramon Herrero (Barcelona), Prof. Dr. Wulfhard Lange, Dipl.-Phys. Matthias Pesch, Dipl.-Phys. Daniel Rudolph, Dr. Burkhard Schäpers

Veröffentlichungen:

Ackemann, T., W. Lange: Optical pattern formation in alkali metal vapors: Mechanism, phenomena and use, Appl. Phys. B 72, 21 (2001)

Ackemann,T., A. Aumann, E. Große Westhoff, Yu.A. Logvin, W. Lange: Polarization degrees of freedom in optical pattern forming systems: alkali metal vapor in a single-mirror arrangement, Opt. B: Quantum Semiclass. Opt. 3, S124 (2001)

Ackemann, T., E. Große Westhoff, M. Pesch, D. Rudolph, W. Lange: Optical pattern formation far beyond threshold, Proc. SPIE 4751, 370 (2002)

Aumann, A., T. Ackemann, E. Große Westhoff, W. Lange: Eightfold quasipatterns in an optical pattern-forming system, Phys. Rev. E 66, 046220-1 (2002)

Große Westhoff, E., R. Herrero, T. Ackemann, W. Lange: Self-organized superlattice patterns with two slightly differing wave numbers, Phys. Rev. E 67, 025203-1 (2003)