Modulierte Χ⁽²⁾ Materialien

Die Voraussetzung für eine effiziente Frequenzverdopplung (SHG) ist, dass die Phasen von fundamentaler und frequenzverdoppelter Welle angepasst sind. Diese Phasenanpassung kann z.B. durch Ausnutzen der Doppelbrechung erzielt werden. Mehr Flexibilität erreicht man aber durch eine periodische Strukturierung der Χ⁽²⁾-Nichtlinearität, welche sich durch ein periodisches Umpolen von Domänen in ferroelektrischen Kristallen realisieren lässt. Eine zwei-dimensionale Strukturierung der Χ⁽²⁾-Nichtlinearität stellt eine Erweiterung des Konzeptes der sogenannten Quasi-Phasenanpassung dar, die neue Phasenanpassungsbedingungen bietet. Im Vergleich zu photonischen Gittern oder photonischen Kristallen besitzen diese nichtlinearen photonischen Strukturen einen homogenen Brechungsindex, aber eine modulierte Nichtlinearität. Periodische nichtlineare Strukturen eignen sich allerdings nur zur effektiven Frequenzkonversion von diskreten Wellenlängen. Da aber z.B. ultrakurze Laserpulse eine große spektrale Bandbreite besitzen, benötigt man hier nichtlineare photonische Strukturen mit einer höheren Bandbreite. Hierzu kann man beispielsweise die Periode der alternierenden Nichtlinearität linear variieren (chirpen) oder nutzt sogenannte Quasi-Gitter. Eine besonders einfache Art der Strukturierung ist die zufällige Anordnung der Nichtlinearität. Zufällig sind Domänen bereits angeordnet, wenn die ferroelektrischen Kristalle nicht homogen gepolt sind. Unsere Arbeiten zur effektiven, durchstimmbaren Frequenzkonversion ultrakurzer Lichtpulse nutzt diese Situation geschickt aus: Wir untersuchen die Frequenzkonversion ultrakurzer Laserpulse in Strontiumbariumniobat (SBN), wobei die Ordnung der Nichtlinearität gezielt beeinflusst wird [Zitat]. Dadurch ist es uns gelungen [Zitate], in nicht gepoltem SBN alle Arten parametrischer Drei-Wellen-Mischprozesse zu demonstrieren: Frequenzverdopplung, Summenfrequenzerzeugung und Differenzfrequenzerzeugung. Auch hintereinander geschaltete Prozesse zur Erzeugung der dritten und vierten Harmonischen sind möglich. Da die Nichtlinearität in zwei Dimensionen moduliert ist, ist die Phasenanpassung im Allgemeinen nicht kollinear, was dazu führt, dass die höheren Harmonischen räumlich verteilt sind. Das in der Frequenz konvertierte Licht wird entweder in einer Ebene oder auf einem Kegel abgestrahlt. Wir untersuchen den Einfluss des Grades der Unordnung und der Größe, Form und Orientierung der Domänen auf die Intensität, Polarisation und räumliche Verteilung der zweiten Harmonischen. Hierfür haben wir mit der Cerenkov-SHG-Spektroskopie eine neue Analysemethode entwickelt [Zitat] und zur dreidimensionalen Visualisierung nutzen wir Cerenkov-SHG-Mikroskopie.