Nanoskalige Elektron-Phonon Wechselwirkung (nanosize polaronic quasiparticles)
Polaronen entstehen aus einer Elektron-Phonon-Kopplung und werden in vielen optischen Materialien nach Anregung mit kurzen intensiven Lichtpulsen beobachtet. Mit der Erzeugung polaronischer Zustände ist eine Änderung der Materialabsorption verbunden (lichtinduzierte Absorption), deren Zeitverhalten und Dispersion charakteristisch von der Art und Dichte der intrinsischen Defektstelle abhängen. Mittels zeitaufgelöster Excited-State-Absorption-Spectroscopy (ESA-Spektroskopie) untersuchen wir das Auftreten und Rekombinationsverhalten von Polaronen speziell in Materialien für die nichtlineare Optik. Im Anwendungsbereich von gepulsten Lasersystemen sind ultrakurze photochrome Prozesse für die optische Zerstörschwelle verantwortlich. Externe Parameter bei unseren Untersuchungen sind Temperatur, Pumplichtwellenlänge, - polarisation, - und intensität. Im Rahmen unseres neu geförderten Projekts "Holographische Kurzzeitspektroskopie" (DFG, IM 37 /5-1) entwickeln wir neue Methoden auf der Basis der dynamischen Vierwellenmischung zur Untersuchung des Transportverhaltens lokalisierter Ladungsträger.


Vierwellenmischung mit optisch schaltbaren Molekülen
In der Substanzklasse der Nitroyslprussiate können metastabile Elektronenzustände durch Bestrahlung mit Licht erzeugt und vollständig reversibel wieder in den Grundzustand zurückgeführt werden. Da die Erzeugung mit einer ausgesprochen grossen Änderung des Absorptionskoeffizienten (Da>100cm-1) und des Brechwertes (Dn>1.10-2) begleitet ist, sind diese Materialien besonders für den Bereich der hologaphischen Datenspeicherung und für die Entwicklung schneller optischer Schalter interessant. Die Lebensdauer der metastabilen Zustände ist durch die Temperatur in einem weiten Bereich einstellbar (>1000 Jahre unterhalb von T=200K und <1 Millisekunden bei RT), was die Untersuchung der optischen Eigenschaften mit verschiedenen Messmethoden erlaubt. Ziel unserer Untersuchung ist die Aufklärung der Natur der metastabilen Elektronenzustände.

      
Raumladungswellen in (ultra-)dünnen halbleitenden Schichten
Bei Beleuchtung mit einem oszillierenden Lichtinterferenzmuster können in (halbisolierenden) Halbleitern unter Anlegen eines elektrischen Gleichfeldes Eigenschwingungen der lichtinduzierten Raumladungsverteilung angeregt werden. Die Anregung dieser Raumladungswellen kann resonant erfolgen, wenn die Frequenz der Lichtoszillation mit der Eigenfrequenz der Raumladungswelle übereinstimmt. Mit dieser Methode lassen sich nichtlineare Wechselwirkungen der Raumladungswellen untereinander und verschiedene nichtlineare Effekte untersuchen. Es treten dabei Effekte auf, die aus der nichtlinearen Optik bekannt sind, wie die räumliche und zeitliche Gleichrichtung. Besonders interessant sind Effekte ohne Analogon, wie die räumliche, aber nicht zeitliche Gleichrichtung. Die Methode erlaubt die Bestimmung verschiedener Materialparameter der untersuchten Proben. Neben photorefraktiven Kristallen sollen diese Untersuchungen an Halbleitern durchgeführt und auf dünne Schichten erweitert werden.


Photoinduzierte Lichtstreuung
Nichtlineare Lichtstreuung tritt in allen photorefraktiven Kristallen bei Beleuchtung mit kohärentem Pumplicht auf. Initiale Streuprozesse an Inhomogenitäten des Kristalls führen zu einer Vielzahl an Streuwellen, die mit der Pumpwelle interferieren. Das entstehende Interferogramm wird über den photorefraktiven Effekt in eine Modulation des Brechwertes umgewandelt, an der im Folgenden die Pumpwelle gebeugt wird. Es entsteht eine Streulichtverteilung um den direkt transmittierten Laserlicht, das durch nichtlineare Effekte (z.B. Strahlkopplung) verstärkt werden kann. 
Die Untersuchung holographischer Lichtstreuung erlaubt daher die Analyse photorefraktiver Kristalle, auch wenn sie für die Anwendung störend ist.


 
Optical Damage bei der Frequenzkonversion
Für die intra-cavitiy Frequenzverdopplung in Nd:YAG-Festkörperlasern werden in der Industrie hydrothermal gezogene KTiOPO4 Kristalle eingesetzt. Diese Kristalle weisen grosse nichtlineare optische Koeffizienten auf (=hohe Effizienz) und können aufgrund der grossen Doppelbrechung zugleich als Modenfilter eingesetzt werden. Die Phasenanpassung erfolgt nach Typ II. Ein grundlegendes Problem beim Einsatz dieser Kristalle ist die Lebensdauer. Durch die hohe Bestrahlung im Betrieb zeigen die Kristalle zwei Alterungseffekte, zum einen das sogenannte "grey-tracking", zum anderen eine lichtinduzierte Änderung des Brechwertes. Die physikalischen Prozesse, die zur Entstehung des photorefraktiven Verhaltens führen, sind weitgehend unbekannt, so dass wir die Kristalle mit holographischen und elektrischen Messmethoden untersuchen.
Ein weiterer Schwerpunkt unserer Untersuchung liegt in der Substanzklasse der Borate, die für die Frequenzverdopplung und -mischung in den ultravioletten Spektralbereich genutzt werden können.




abgeschlossene Themenbereiche:

Lichtgestütztes Schaltverhalten ferroelektrischer nano- und mikro-Domänen
In relaxorartigen ferroelektrischen Kristallen, wie Strontium-Barium-Niobat, verschwindet der Ordnungsparamter (Spontanpolarisierung) nicht kritisch bei der Curie-Temperatur, sondern weist auch weit oberhalb einer mittleren Übergangstemperatur nichtverschwindende Werte auf. Dies ermöglicht es den Phasenübergang von Relaxorferroelektrika mit optischen, speziell photorefraktiven Methoden zu untersuchen, da das Auftreten der nichtlinear optischen Phänomene von der Existenz der Spontanpolarisierung abhängt. Der Vorteil optischer Methoden gegenüber klassischen elektrischen ist die Möglichkeit Informationen aus dem Volumen mit hoher Ortsauflösung zu erhalten (zB SHG-Topographie) und auch die berührungslose Untersuchung. Am Beispiel von SBN haben wir bereits eine Reihe von neuen Informationen über die Prozesse erhalten, die für das relaxorartige Phasenübergangsverhalten verantwortlich sind. So konnte zum Beispiel eine Temperaturabhängigkeit der Übergangstemperatur von der Größe der ferroelektrischen Domänen experimentell gefunden werden.

Holographische Datenspeicherung
Mit dem Verfahren der holographischen Datenspeicherung können extrem grossen Speicherdichten erreicht werden, so dass eine große Datenkapazi
tät in einem kleinem Volumen abgelegt werden kann. Werden oxidische Materialien, wie LiNbO3:Fe als Speichermedium verwendet, kann die Speicherdauer durch geeignete Verfahren (thermisches Fixieren) auf über 100 Jahre gesteigert werden. Da es sich um eine parallel Datenspeicherung handelt müssen die zu speicherndern Daten in einer zweidimensionale Datenseite angeordnet werden bevor sie über eine Maske (2D-Flüssigkristall) in den Kristall holographisch eingeschrieben werden können. Die Rekonstruktion der Daten erfolgt durch die Aufnahme der rekonstruierten Datenseite mit einem Kamerasystem (CCD) und anschliessender Bildverarbeitung. Um die Bit-Fehler-Rate zu reduzieren werden Kodieralgorithmen den Daten überlagert. Wir beschäftigen uns mit der Optimierung der Kodier-Schreib-Lese-Rekonstruktions- und Dekodierprozesse unter Berücksichtigung der optischen und holographischen Aufbauten, sowie der Speichermedien.

   
Dynamische Wellenlängenfilter
Von besonderem Interesse im Anwendungsgebiet photorefraktiver Materialien sind solche mit hohen Ansprechzeiten, d.h. Materialien, bei denen der Brechwert durch Lichtbestrahlung im Bereich von Millisekunden und weniger verändert werden kann. Geeignet sind hierfür die Materialien BGO und BSO, die zum Beispiel für die Doppelbelichtungsinterferometrie eingesetzt werden mit Ansprechzeiten im Sekundenbereich. Schnellere photorefraktive Materialien sind bislang nicht bekannt. Wir verfolgen daher einen neuen Ansatz: In der Substanzklasse der Nitrosylprussiate ist die Lebensdauer der metastabilen Elektronenzustände von der Temperatur abhängig. So kann der Brechwert um bis zu 10-2 bei tiefen Temperaturen (T=100K) mit einer Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten durch Lichtbestrahlung geändert werden. Bei Raumtemperatur ist die Lebensdauer der metastabilen Elektronenzustände allerdings sehr klein und liegt im Bereich weniger Millisekunden. Da auch hier eine Brechwertänderung zu erwarten ist kann man mittels Pulslichtbeleuchtung Hologramme sehr schnell schreiben, die auch sehr schnell zerfallen. Damit wollen wirl Wellenlängenfilter für die Telekommunikation realisieren, deren Filtereigenschaften schnell und gezielt geändert werden können.


Ausgegründete Themenbereiche:
 
Virtuelle holographische Oberflächen (VHO)
VHOs sind Displayhologramme mit integrierter Rekonstruktionsbeleuchtung und der Möglichkeit des interaktiven Winkelmultiplexings. Die Abbildung zeigt eine Designidee einer Kombinationsanzeige wie sie beispielweise für einen tragbaren CD-Recorder sinnvoll wäre: Im Vordergrund "schwebt" das holographische Bedienungsmenü und im Hintergrund zeigt der LCD-Bildschirm die Filmsequenz. Das Menü wird durch die Annäherung mit dem Finger aktiviert und hat 5 Multiplexvarianten, wobei zusätzliche Informationen durch den LCD-Screen angezeigt werden können (z.B. Titel eines Musikstücks). Nach der Auswahl der Funktion wird das Menü langsam ausgeblendet um die Ansicht auf den dahinter liegenden LCD-Bildschirm freizugeben. Das Gesamtdesign eines solchen tragbaren Gerätes kann auf die Ausmaße einer CD-Hülle beschränkt werden. Die Frontseite trägt dabei flächendeckend das VHO mit dem dahinter liegenden LCD-Bildschirm und der CD-Einschub kann seitlich erfolgen. 
VHOs zeichnen sich durch ihre breite Einsetzbarkeit und durch den hohen Sicherheitsaspekt aus.
Die Aktivitäten im Bereich der VHOs haben wir in die Firma Holozone GmbH ausgegründet.