Optische Materialien - betzler.physik.uni-osnabrueck.de · Sie bekommen Rabatt. Das ist die Nichtlineare Antwort im taglichen Leben. ¨ Und in der Physik? Das Hookesche Gesetz gilt

Optische Materialien

Klaus Betzler

28. Januar 2009

1

UberblickFluoreszenz

Nichtlineare OptikAbschlussarbeiten

1 UberblickMaterialienWorum geht es?Physikalische Beschreibung

2 FluoreszenzAbsorptionLumineszenzLebensdauer, Effizienz

3 Nichtlineare OptikLinear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie

4 Abschlussarbeiten

Klaus Betzler Optische Materialien 2



MaterialienWorum geht es?Physikalische Beschreibung

Kristalle





Glaser

Komposite

Keramiken





Material und Funktion






Anregung ⇒






Anregung ⇒ Material ⇒






Anregung ⇒ Material ⇒ Wirkung





Materialtensoren

P = χε0E

χ — Suszeptibilitatstensor

⇒ Dielektrizitatskonstante⇒ Brechungsindex⇒ Absorption





Materialtensoren

P = χε0E







Materialtensoren

P = χε0E






AbsorptionLumineszenzLebensdauer, Effizienz

Strontium-Barium-Niobat mit Europium

400 450 500 550 6000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

Wavelength [nm]

Abs

orpt

ion

[cm

−1 ]

π

α

σ

7F0−5G

2

7F0−5L

6

7F1−5L

6

7F0−5D

2

7F0−5D

1 7F1−5D

1 7F0−5D

0

7F1−5D

0

× 5 →

570 580 590 600

π

α

σ

0

5

10

15

20

25

5G25L

65D3

5D2

5D1

5D0

7F67F57F47F37F27F17F0

Ene

rgy

[103 c

m−

1 ]






Inte

nsity

[a.

u.]

580 600 620 640 660 680 700 720 740 760Wavelength [nm]

5D0→7F

5,7F

6

5D0→7F

4

5D0→7F

3

5D0→7F

25D

0→7F

15D

0→7F

0

π−Polarisation

α−Polarisation

σ−Polarisation

0

5

10

15

20

25

5G25L

65D3

5D2

5D1

5D0

7F67F57F47F37F27F17F0

Ene

rgy

[103 c

m−

1 ]






280 300 320 340 360 380 400

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Temperature [K]

Life

time

[ms]

0.12 % Eu0.73 % Eu0.98 % Eu1.46 % Eu

0 1 2 3 4

Time [ms]

Inte

nsity

[a.

u.]

0

5

10

15

20

25

5G25L

65D3

5D2

5D1

5D0

7F67F57F47F37F27F17F0

Ene

rgy

[103 c

m−

1 ]




Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie

Lineare AntwortGrunderfahrung in der Physik (und im Leben):

Wir leben in einer linearen Welt !Mechanik: Doppelte Kraft ⇒ Doppelte BeschleunigungElektrik: Doppelte Spannung ⇒ Doppelter StromMesstechnik vertraut auf Linearitat:

Lange, Gewicht, Intensitat, . . .

Preise verhalten sich linear:Zwei Apfel sind doppelt so teuer wie einer.





















































Nichtlineare Antwort

Was aber, wenn Sie 100 Apfel kaufen ?Sie bekommen Rabatt.Das ist die Nichtlineare Antwort im taglichen Leben.

Und in der Physik ?

Das Hookesche Gesetz gilt nur eingeschrankt.Bei hohen Intensitaten verzerrt Ihr Verstarker.

Fazit: Linearitat ist immer nur eine Naherung.







Und in der Physik ?









Und in der Physik ?









Und in der Physik ?









Und in der Physik ?









Und in der Physik ?









Und in der Physik ?









Und in der Physik ?







Lineare und Nichtlineare Antwort in Materialien

Was passiert mit LICHT in MATERIE ?

?






Was passiert mit LICHT in MATERIE ?

?






LineareAntwort

NichtlineareAntwort

KeineWechselwirkungder Lichtwellen

Wechselwirkungder Lichtwellen






LineareAntwort

NichtlineareAntwort








LineareAntwort

NichtlineareAntwort








LineareAntwort

NichtlineareAntwort








LineareAntwort

NichtlineareAntwort








LineareAntwort

NichtlineareAntwort







Nanodomanen in Strontium-Barium-Niobat (SBN)

Arthur-R. Tunyagi, Michael Ulex, Klaus Betzler: Noncollinear optical frequency doubling in Strontium BariumNiobate, Physical Review Letters 90:243901 (2003)





Nanodomanenstruktur in SBN

AFM-Bild im Ortsraum

Crystal position x [nm]

Cry

stal

pos

ition

y [

nm]

0 200 400 6000

100

200

300

400

500

600






AFM-Bild im Ortsraum Transformation in den k-Raum


Cry

stal

pos

ition

y [

nm]

0 200 400 6000

100

200

300

400

500

600








Cry

stal

pos

ition

y [

nm]

0 200 400 6000

100

200

300

400

500

600

k−vector component kx [µm−1]

k−ve

ctor

com

pone

nt k

y [

µm−

1 ]

−500 0 500

−500

0

500








Cry

stal

pos

ition

y [

nm]

0 200 400 6000

100

200

300

400

500

600


k−ve

ctor

com

pone

nt k

y [

µm−

1 ]

−500 0 500

−500

0

500








Cry

stal

pos

ition

y [

nm]

0 200 400 6000

100

200

300

400

500

600


k−ve

ctor

com

pone

nt k

y [

µm−

1 ]

−50 0 50−60

−40

−20

0

20

40

60





Impulsvektordiagramm: Σ k = 2 k1 + kg − k2 = 0

k1

k1

α

β

k2

k2

kg

kg

c

2 k1 cos α = k2 cos β =⇒ n1(α) cos α = n2(β) cos β





Radial polarisiertes Licht

1 Laser

2 SBN-Kristall

3 Nichtkollineares SHG-Licht

4 Kollimations-Optik

5 Zylindrischer Parallelstrahl

6 mit radialer Polarisation

Arthur-R. Tunyagi, Klaus Betzler: Lichtquelle fur radial polarisiertes Licht,Patent Nr. 102004013284, Deutsches Patent- und Markenamt 21.10.2004.





Experimenteller Aufbau k-Raum-Spektroskopie

�

Heater fixed PM

PM

Nd:YAG SBN

c

SHG

IR Laser





Messergebnisse

Uwe Voelker, Klaus Betzler: Domain morphology from k-space spectroscopy of ferroelectric crystals,Physical Review B 74:132104 (2006)




Aktuelle Abschlussarbeiten

Urs Heine (Promotionsarbeit):

k-Raum-Spektroskopie am Relaxor-FerroelektrikumCalcium-Barium-Niobat

Alexander Niemer (Promotionsarbeit):

Nichtlineare Lumineszenzanregungsprozesse inStrontium-Barium-Niobat

Kai Dinges (Diplomarbeit):

Nichtkollineare Frequenzverdopplung an reinem unddotiertem Strontium-Barium-Niobat


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