Brechungsindexänderungen in Lithiumniobat und Lithiumtantalat-Kristallen erzeugt mit Lichtpulsen ultrahoher Intensität
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Lithiumniobat-Kristalle (LiNbO3) sind aufgrund ihrer großen elektro-optischen und nichtlinear-optischen Koeffizienten ein wichtiges Material, welches seit Jahrzehnten in großem Maßstab für elektrooptische Modulatoren in Telekommunikationsnetzen und seit ca. zehn Jahren stark zunehmend als periodisch gepoltes Material für die nichtlineare Optik eingesetzt wird. In LiNbO3 tritt außerdem der „photorefraktive Effekt“ auf: Lichteinwirkung erzeugt Brechungsindexstrukturen, denn durch Beleuchtung werden Elektronen aus Dotierungsoder Verunreinigungs-Störstellen angeregt, umverteilt und wieder eingefangen. Raumladungsfelder entstehen, die elektrooptische Brechungsindexänderungen bewirken. Dieser Effekt ist für die oben genannten Applikationen in der Regel störend. Synergetische Kombinationen sind aber auch denkbar, z. B. die Integration photorefraktiver Wellenlängenfilter in Modulatoren und Frequenzkonverter. Mit Dauerstrichlicht und Nanosekunden-Pulsen wird der photorefraktive Effekt bereits seit vielen Jahren untersucht. Beleuchtet man die Kristalle jedoch mit Licht ultrahoher Intensität, z. B. mit verstärkten Femtosekunden-Pulsen, so läuft der photorefraktive Effekt anders ab, und seine Eigenschaften ändern sich. Insgesamt liefern die Untersuchungsergebnisse ein tieferes Verständnis der Ladungsanregung und -umverteilung in Lithiumniobat-Kristallen bei hohen Intensitäten, was für ihre weitere Verwendung in der nichtlinearen Optik von großem Vorteil ist. Konkret konnten wir zeigen, dass Zwei-Photonen-Anregungen bei den hohen Lichtintensitäten einen wichtigen „Kanal“ für die Anregung von Ladungsträgern darstellen, sowohl in dotierten oxidierten als auch in undotierten Proben. Damit wird das holographische Schreiben in Kristallen möglich, die für Licht üblicher Dauerstrichintensitäten transparent sind – ein klarer Pluspunkt für Anwendungen. Außerdem konnten wir zeigen, dass auch die sogenannte „holographische Streuung“ beim holographischen Schreiben mit Femtosekunden-Lichtpulsen aufgrund der reduzierten räumlichen Kohärenz deutlich vermindert ist, ein weiterer Pluspunkt für die Holographie mit Femtosekunden-Pulsen in diesem Material. Auch wurden mit Magnesium dotierte Kristalle studiert, das Standard-Material für nichtlinear-optische Anwendungen, in dem der photorefraktiven Effekt wirkungsvoll unterdrückt ist. Hier haben wir bei Beleuchtung mit Femtosekunden-Pulsen die starke Generation von Polaronen nachgewiesen, welche infrarotes Licht absorbieren und die Anwendbarkeit des Materials bei sehr hohen Lichtintensitäten und infrarotem Licht einschränken. Neben den genannten materialwissenschaftlichen Erkenntnissen konnten wir auch eine neue holographische Methode etablieren, um lineare Anregungsprozesse von nichtlinearen Prozessen zu trennen: Die Beobachtung der sogenannten „2-K“-Gitter, also von Gittern doppelter Raumfrequenz, welche nur bei nichtlinearen Generationsprozessen holographischer „K-Gitter“ auftreten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „Femtosecond recording and timeresolved readout of spatial gratings in lithium niobate crystals“. Journal of the Optical Society of America B 24, 419–429 (2007)
B. Sturman, O. Beyer, D. Maxein, K. Buse
- „Separation of optical Kerr and free-carrier nonlinear responses with femtosecond light pulses in lithium niobate crystals“. Physical Review B 76, 195117/1-4 (2007)
P. Reckenthaeler, D. Maxein, Th. Woike, K. Buse, B. Sturman
- „Polarons in magnesium-doped lithium niobate crystals induced by femtosecond light pulses“. Applied Physics B 92, 543-547 (2008)
D. Maxein, S. Kratz, P. Reckenthaeler, J. Bückers, D. Haertle, T. Woike, K. Buse
- Photonics West, San José, Kalifornien, USA (2009). „Investigation of the photorefractive effect in lithium niobate crystals using femtosecond laser pulses”
D. Maxein, J. Bückers, D. Haertle, K. Buse
- „Conference on Lasers and Electro-Optics” (CLEO Europe), München (2009). „Photorefraction in LiNbO3:Fe with femtosecond laser pulses”
D. Maxein, J. Bückers, D. Haertle, K. Buse
- „Interaction of femtosecond laser pulses with lithium niobate crystals: transmission changes and refractive index modulations“. Journal of Holography and Speckles 5, 275-279 (2009)
D. Maxein and K. Buse
- „Light-induced scattering of femtosecond laser pulses in iron-doped lithium niobate crystals“. Journal of the Optical Society of America B 26, 1018-1022 (2009)
J. Bueckers, D. Maxein, D. Haertle, K. Buse
- „Photorefraction in LiNbO3:Fe crystals with femtosecond pulses at 532 nm“. Applied Physics B – Lasers and Optics 95, 399-405 (2009)
D. Maxein, J. Bueckers, D. Haertle, K. Buse
- „Photorefractive Materials, Effects, and Devices – Control of Light and Matter” (PR), Bad Honnef (2009). „Photorefraction in LiNbO3:Fe with femtosecond laser pulses”
D. Maxein, J. Bückers, D. Haertle, K. Buse
