Glossar häufig verwendeter Begriffe in der photorefraktiven Optik
   
 

(wird ständig erweitert)

Photorefraktiver Effekt Holographie Volumenhologramm
Multiplexing Phasenkodierung Strahlkopplung
Zwei-Wellen-Mischen Vier-Wellen-Mischen Phasenkonjugation
Beamfanning Neuigkeitsfilter Rückkopplungssystem
spontane Strukturbildung Solitonen
in english
Photorefraktiver
Effekt
Der photorefraktive Effekt wurde 1966 von A. Ashkin et al. in den Bell Laboratories als zunächst störender Effekt ("optical damage") in einem LiNbO3-Kristall entdeckt. Bald stellte sich jedoch heraus, daß die auftretenden Brechungsindexinhomogenitäten ein Phasenhologramm darstellen und sich für die dynamische Holographie ausnutzen lassen.

Der photorefraktive EffektÜberlagert man zwei kohärente Lichtstrahlen in einem photorefraktiven Kristall, so entsteht ein Interferenzmuster, also eine räumliche Verteilung von Stellen hoher und niedriger Intensität im Kristall (Bild a). An den Stellen hoher Intensität werden durch Photoionisation Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) freigesetzt. Durch die erhöhte Konzentration an diesen Stellen diffundieren sie und rekombinieren wieder, meist an Störstellen (z.B. Dotierungen). Dadurch entsteht eine Ladungsträgerverteilung wie in Bild b. Diese lokale Ladungsumverteilung hat ein elektrisches Feld zur Folge (Bild c), das wegen der räumlichen Ableitung im Gauß'schen Gesetz um eine viertel Periode zum Interferenzmuster phasenverschoben ist. Durch den linearen elektrooptischen Effekt, nach dem eine Brechungsindexänderung proportional zum elektrischen Feld ist, entsteht die in Bild d skizzierte Brechungsindexmodulation. Diese stellt ein sogenanntes Volumenhologramm dar.

Holographie Als Holographie bezeichnet man die Speicherung der Information eines Lichtfeldes in einem Interferenzmuster. Zur Aufnahme wird ein informationstragender Lichtstrahl (=Bildstrahl) mit einem weiteren dazu kohärenten Lichtstrahl (=Referenzstrahl) zur Interferenz gebracht. Über die Schwärzung einer gewöhnlichen Photoplatte oder die Brechungsindexmodulation in einem photorefraktiven Kristall kann dieses Interferenzmuster dann gespeichert werden, das gespeicherte Muster wird als Hologramm bezeichnet. Zur Wiedergabe wird das Hologramm nur mit dem Referenzstrahl beleuchtet. Dieser erfährt an dem hauchfeinen Interferenzmuster Beugung und bekommt damit die im Hologramm gespeicherte Information aufgeprägt. Da in dem Hologramm die gesamte dreidimensionale Bildinformation enthalten ist, eignet sich die Holographie auch zur Speicherung dreidimensionaler Bilder, sollte damit aber nicht gleichgesetzt werden.
(Siehe auch: History of holography, Rechnen mit Lichtgeschwindigkeit - Optische Computer)
Volumen-
hologramm
Bragg-BedingungEin Volumenhologramm ist ein holographisches Gitter, das eine nicht zu vernachlässigende "Tiefe", also eine Ausdehnung in der Ausbreitungsrichtung der Lichtstrahlen, besitzt. Ein Hologramm in einer dünnen photographischen Schicht ist demnach kein Volumenhologramm. Bei der Beugung an einem Volumenhologramm gilt dann die Bragg-Bedingung, was zur Folge hat, daß ein Volumenhologramm nur durch Referenzstrahlen mit ganz bestimmten Einfallswinkeln und Wellenlängen rekonstruiert werden kann.
Multiplexing Eine Folge der Bragg-Bedingung (s. Volumenhologramm) ist die Möglichkeit des Multiplexing. Da ein bestimmtes Volumenhologramm nur durch einen Referenzstrahl mit (z.B.) einem ganz bestimmten Einfallswinkel ausgelesen werden kann, lassen sich in demselben Volumen des Speichermediums verschiedene Volumenhologramme speichern. Jedes dieser Hologramme wird nur bei dem Einfallswinkel des Referenzstrahls ausgelesen, bei dem es auch aufgenommen wurde, dieser Winkel stellt also die Adresse des Hologramms dar.
Die Variation des Einfallswinkels ist nicht die einzige Möglichkeit des Multiplexing. Aufgrund der Bragg-Bedingung ist dies auch durch eine Variation der Lichtwellenlänge oder der Phasenverteilung im Referenzstrahl (s. Phasenkodierung) möglich.
Phasen-
kodierung
Die Phasenkodierung ist eine Multiplexingtechnik, die in unserem Institut entwickelt wurde und derzeit für die Realisierung eines hochkapazitiven Speichers genutzt wird. Zur Adressierung der verschiedenen Volumenhologramme im photorefraktiven Kristall wird die Verteilung der Phasen in der in viele Teilstrahlen aufgespaltenen Referenzwelle verwendet, der sogenannte Phasenkode.
Strahl-
kopplung
Als Strahlkopplung bezeichnet man den gerichteten Energietransfer zwischen wechselwirkenden Laserstrahlen in einem photorefraktiven Kristall. Dabei wird durch konstruktive bzw. destruktive Interferenz Energie aus einem Strahl in den anderen transferiert (nicht unbedingt vom stärkeren in den schwächeren Strahl!!!). Die wichtigsten Konfigurationen der Strahlkopplung sind das Zwei-Wellen-Mischen und das Vier-Wellen-Mischen. Anwendungen sind z.B. die kohärente Signal-/Bildverstärkung, Phasenkonjugation und Neuigkeitsfilterung.
(Siehe auch: Rechnen mit Lichtgeschwindigkeit - Optische Computer)
Zwei-
Wellen-
Mischen
Geometrie des Zwei-Wellen-MischensBeim Zwei-Wellen-Mischen wechselwirken zwei Laserstrahlen im photorefraktiven Kristall (oft wird BaTiO3 verwendet). Der eine Strahl gibt dabei Energie ab (hier Strahl 1), der andere wird verstärkt (Strahl 2). Wird die Bildinformation dem verstärkten Strahl 2 aufgeprägt, erhält man Bildverstärkung, wird sie dagegen dem abgeschwächten Strahl 2 aufgeprägt, kommt es zu Neuigkeitsfilterung.
Vier-
Wellen-
Mischen
Geometrie des Vier-Wellen-MischensDas Vier-Wellen-Mischen scheint diesen Namen zu unrecht zu tragen, denn es werden dabei nur drei Strahlen in den Kristall eingestrahlt. Allerdings wechselwirken in der Tat vier Strahlen miteinander, da der vierte Strahl bei diesem Prozeß erzeugt wird. Das läßt sich mit einer Analogie zur Holographie so erklären:
Zunächst schreiben Pumpstrahl 1 (P1) und der Signalstrahl (S) ein Hologramm, das dann von Pumpstrahl 2 (P2) aus der anderen Richtung ausgelesen wird. Der so erzeugte konjugierte Strahl (C) pflanzt sich in die Richtung fort, aus der S gekommen ist. Ist P2 die exakte Umkehrung zu P1 (was der Fall ist, wenn beide Laserstrahlen unmoduliert und exakt gegenläufig sind), so ist auch C die exakte (Zeit-)Umkehrung von S. Strahl C ist dann zu S phasenkonjugiert. Hat P2 eine viel höhere Intensität als S, so kann C zu S nicht nur phasenkonjugiert, sondern auch verstärkt sein.
Phasen-
konjugation
Phasenkonjugation ist die Umkehrung der Phasenfront einer Welle. Nach der Reflexion an einem phasenkonjugierenden Spiegel progagiert die Welle mit der gleichen Form der Wellenfront in die Richtung, aus der sie gekommen ist. Mathematisch (!!!) entspricht das einer Zeitumkehrung der einfallenden Welle.
Phasenstörungen in einer Lichtwelle können kompensiert werden, wenn die Welle an einem phasenkonjugierenden Spiegel reflektiert wird und die Phasenstörung erneut durchläuft.
Phasenkonjugation wird meist durch Vier-Wellen-Mischen in einem photorefraktiven Kristall realisiert.
Beam-
fanning
Numerische Simulation des Beamfannings (A.A. Zozulya und D.Z. Anderson)Beamfanning (=Strahlauffächerung) ist die gerichtete Ablenkung und Auffächerung eines Laserstrahls in einem photorefraktiven Kristall. Dabei wird der einfallende Strahl Experimentelle Beobachtung von Beamfanning in BaTiO3zunächst zu einem geringen Teil an Störstellen (Inhomogenitäten, Kristallfehlstellen,...) gestreut. Zwischen diesen gestreuten Anteilen und dem Rest des einfallenden Strahls kommt es dann zu Zwei-Wellen-Mischen, das zu einer Verstärkung des Streulichts in die Vorzugsrichtung des Energietransfers führt.
Neuigkeits-
filter
Ein Neuigkeitsfilter ist ein Bildverarbeitungselement, das von einer Bildersequenz nur die sich zeitlich ändernden Teile anzeigt und die unveränderten Anteile herausfiltert. Neuigkeitsfilter lassen sich hervorragend durch photorefraktive Strahlkopplung realisieren, am besten durch Zwei-Wellen-Mischen. Dabei wird das Bild dem energieabgebenden Strahl aufgeprägt. Im stationären Zustand wird (fast) alle Energie in den anderen Strahl übertragen, das Ausgangsbild ist also dunkel. Ändert sich die Bildinformation, so ist eine gewisse Zeit notwendig, bis die Strahlkopplung wieder den stationären Zustand erreicht hat. Während dieser Zeit sind die geänderten Bildanteile sichtbar und verblassen dann. Als Ergebnis der Neuigkeitsfilterung z.B. einer Bildersequenz mit einem fliegenden Flugzeug vor dem Hintergrund einer Landschaft ist nur das Flugzeug zu sehen, der Rest des Bildes ist dunkel.
(Siehe auch: Optische Computer)
Rück-
kopplungs-
system
Ein Rückkopplungssystem ist allgemein ein System, bei dem das Ausgangssignal wieder als Eingangssignal verwendet wird. In einem optischen Rückkopplungssystem wird für die Rückkopplung das denkbar einfachste optische Element verwendet: Ein (oder mehrere) Spiegel. In unserer Arbeitsgruppe werden zur Zeit zwei verschiedene Konfigurationen optischer Rückkoplungssysteme untersucht:
Beim einfach rückgekoppelten System geht der Laserstrahl zunächst durch das optisch nichtlineare Medium (z.B. einen photorefraktiven Kristall), trifft dann auf einen Spiegel und durchquert danach erneut (aus der entgegengesetzten Richtung) den Kristall. Im Kristall liegen also zwei gegenläufige wechselwirkende Strahlen vor. (S. z.B.: Squares and hexagons..., Dynamics of hexagons...)
In Oszillatoren oder Resonatoren wird das Signal dagegen unendlich oft hin und her bzw. im Kreis geschickt. Meist wird sogar überhaupt kein Eingangssignal verwendet, da ein solches System aus Rückkopplung und Verstärkung besteht und das umlaufende Signal durch die Verstärkung aus dem Rauschen entsteht. Analog dazu sind z.B. die akustische Rückkopplung mit Mikrofon und Lautsprecher oder die vielfältigen Muster, die entstehen wenn man eine Videokamera auf ihren eigenen Monitor hält.
spontane
Struktur-
bildung
Spontane Strukturbildung Hexagonale Struktur im Fernfeldist ein Prozeß der Selbstorganisation, der in vielen verschiedenen nichtlinearen Rückkopplungssystemen auftritt. Dabei entstehen aus einem unstrukturierten bzw. uniformen Eingangssignal aufgrund der Rückkoplung Strukturen, oft sind dies Hexagons bzw. Bienenwaben. Solche Phänomene sind in sehr ähnlicher Form in vielen Bereichen der Natur anzutreffen, neben der nichtlinearen Optik z.B. auch in Hydrodynamik (Rayleigh-Benard-Konvektion), Geologie (Gesteinsformationen), Biologie, Chemie (Reaktionskinetik) und Meteorologie (Wolkenformationen).
(S. z.B.: Squares and hexagons..., Dynamics of hexagons...)
Solitonen Mathematisch sind Solitonen singuläre Lösungen der Wellengleichung. Ein Soliton ist also ein Wellenpaket, das sich ohne Veränderung seiner Form fortpflanzt. Das erste Soliton wurde bei einer Wasserwelle in einem Fluß beobachtet, in der photorefraktiven Optik sind Solitonen erst vor kurzem entdeckt worden. Ein optisches Soliton kann sich nur in einem optisch nichtlinearen Medium fortpflanzen, da die normalerweise bei jedem Wellenpaket auftretenden Effekte Dispersion und Beugung, die dessen Form ändern, durch Selbstfokussierung kompensiert werden müssen.
In photorefraktiven Kristallen treten soliton-artige Strahlen als dünne Lichtstrahlen mit (fast) konstantem Querschnitt auf, die wellenleitende Eigenschaften haben, worin auch ihr Anwendungspotential liegt. Photorefraktive Solitonen können miteinander auf vielfältige Art und Weise wechselwirken und näherungsweise mit einer Art Teilchenmodell (Kollision, Annihilation usw.) beschrieben werden.

© TU-Darmstadt, Institut für Angewandte Physik, Experimentelle Licht- und Teilchenoptik