Räumlich lokalisierte Strukturen und Inhomogenitäten

• Applicant: Professor Dr. Richard Kowarschik
• Subject Area: Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
• Term: from 2004 to 2008
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5470751

Das Ziel dieses Vorhabens ist die Untersuchung grundlegender physikalischer Effekte, die bei der Wechselwirkung räumlicher Solitonen mit Inhomogenitäten auftreten. Während Anregung und Wechselwirkung räumlicher Solitonen in verschiedenen optischen Materialien bereits beobachtet werden konnten und physikalisch im Wesentlichen verstanden sind, ist man von einer sich selbst definierenden Optik mit räumlichen Solitonen noch weit entfernt. Bisherige experimentelle Untersuchungen konzentrierten sich vor allem auf quasi-homogene Materialien, vor allem, da die eher schwachen optischen Nichtlinearitäten nicht effektiv mit linearen Indexsprüngen konkurrieren konnten. Gerade aber, wenn lineare und nichtlinear induzierte Indexänderungen vergleichbar sind, tritt eine Fülle neuartiger Phänomene auf, die in theoretischen Arbeiten bisher unter dem Stichwort "stark nichtlineare Effekte" behandelt wurde. Dazu gehört z.B. das Tunneln von räumlichen Solitonen durch Grenzflächen zwischen Medien mit unterschiedlichem linearem und nichtlinearem Verhalten oder das Ausbrechen von Solitonen aus linearen Wellenleitern mit nichtlinearem Cladding. Photorefaktive Kristalle erfüllen als wohl einziges Materialsystem genau die hierfür erforderlichen Voraussetzungen, da in ihnen durch optische Felder gezielt quasi-lineare Indexstrukturen eingeschrieben werden können. Außerdem können durch optisch induzierte Veränderung der internen Spannungsverteilung die nichtlinearen Eigenschaften des Kristalls räumlich modifiziert werden. Die entstehenden Parametervariationen haben genau dieselbe Größenordnung, wie die durch räumliche Solitonen im Material hervorgerufenen, was eine optimale Wechselwirkung garantiert. Hinzu kommt, dass inzwischen verschiedenste Typen von ein- und mehrkomponentigen so genannten "Screening Solitonen" bekannt sind, deren Wechselwirkung mit Inhomogenitäten bisher gänzlich unerforscht ist. Neben dem fundamentalen Interesse an der experimentellen Demonstration stark nichtlinearer Effekte eröffnen sich hier auch Ansätze zur Entwicklung rekonfigurierbarer optischer Funktionselemente, deren Übertragungseigenschaften entweder extern durch die Variation einschreibender Felder oder intern durch die Änderung der Parameter der interagierenden solitären Wellen gesteuert werden können. Auf diese Weise wären z.B. Verknüpfungen zwischen getrennten Vierwellenmischprozessen zur Informationsspeicherung und -verarbeitung möglich. Im Projekt sollen durch Einstrahlung optischer Felder unterschiedlicher Frequenz und Polarisation gezielt lineare und nichtlineare Eigenschaften des Kristalls modifiziert werden. In einem ersten Schritt wird die Wechselwirkung verschiedener Typen räumlicher Solitonen mit z.B. im Kristall optisch induzierten Grenzflächen studiert. In einem zweiten Schritt werden wir diese Untersuchungen auf die Wechselwirkung der Solitonen mit von außen lokal in das photorefraktive Medium eingeschriebenen Indexstrukturen ausweiten, um z.B. erstmalig ein nichtlinear induziertes Ausbrechen einer geführten Welle aus einem Wellenleiter zu demonstrieren. Weiterhin soll die Teilung und Verschmelzung von solitären Wellen realisiert werden. Schließlich wollen wir in einem dritten Schwerpunkt 1D- und 2D-Arraystrukturen in einen Kristall optisch einschreiben und Untersuchungen zur Wechselwirkung der in diesen Strukturen geführten diskreten räumlichen Solitonen an Grenzflächen und Inhomogenitäten der periodischen Struktur beginnen.

• DFG Programme: Research Units
• Subproject of: FOR 532: Spatial-temporal Nonlinear Dynamics in Dissipative and Discrete Optical Systems
• Participating Person: Dr. Armin Kießling (†)