1. Transiente photonische Strukturen und deren Anwendungen

Ultraschnelles Schalten mit Licht – Pulsschneiden und Puls-Reshaping

Transiente Gitter sind bekannt als extrem leistungsfähige optische Meßtechniken, mit denen die dynamische Antwort einer gestörten Probe getestet werden kann. In den letzten Jahren sind neue Resultate veröffentlicht worden, die die Signifikanz der transienten Gitter im Bereich ultraschneller Phänomene demonstrieren (A. Zewail – Nobelpreis 1999).
In unserer Arbeitsgruppe konnten wir kürzlich die Entstehung eines transienten Brechungsindex-Gitters in Bariumfluorid demonstrieren, welches als ultraschneller optischer Schalter eingesetzt werden kann. Dabei wurde ein Konzept für einen sehr schnellen rein optischen Demultiplexer für die Telekommunikation vorgestellt.
Genaue Untersuchungen der Beugungseigenschaften des transienten Brechungsindex-Gitters haben ergeben, dass fast unabhängig von dem Verlauf der ursprünglichen Pulse, die gebeugten Pulse, sowohl in der Zeit- als auch in der Frequenzdomäne eine Gauß-förmige Struktur aufweisen. Diesen Effekt kann man als Pulse-Reshaping bezeichnen, der es unter anderem möglich macht, eine extrem weit durchstimmbare Lichtquelle mit exzellenten Gauß-förmigen Ausgangs-Pulsen zu aufzubauen.
Außerdem ist man in der Lage einem unabhängigen dritten Puls zeitlich eine Struktur aufzuprägen. Diese ultraschnelle Amplitudenmodulation bietet prinzipiell die Möglichkeit in hochrepetierenden Systemen optische Signale zu markieren, so z.B. als kryptographisches Verfahren in Hochgeschwindigkeits-Kommunikationssystemen.

In diesem Rahmen wurde die folgende Diplomarbeit betreut:
„Aufbau eines GRENOUILLE-Systemszur Untersuchung der Pulsformen der ersten gebeugten Ordnungen an einem ultraschnellen transienten Gitter in Dielelektra“
von Marc Hänel.

Effiziente Frequenzverdreifachung und ultraschnelles Rechnen mit Licht

Wir konnten weiterhin zeigen, dass über das transiente Gitter ein Selbst-Phasenanpassungs-Mechanismus zu einer sehr effizienten Erzeugung der dritten Harmonischen führt. Die Konversionseffizienz beträgt dabei ~3%, was für eine direkte Umsetzung einen sehr hohen Wert darstellt. Im Speziellen wird der genaue Einfluss dieses Gitters auf nichtlineare optische Phänomene erforscht.
In diesem Rahmen wurde die folgende Diplomarbeit betreut:
„Optische Frequenzverdreifachung an einem transienten Brechungsindexgitter“
von Martin Fahr (erhielt den Sonderpreis des Dekans).
Beruhend auf diesem Effekt, konnte vor kurzem ebenfalls ein Experiment „Optisches Rechnen auf der Femtosekunden Zeitskala“ demonstriert werden.

2. Dynamik der Laserablation an Halbleiter- und dielektrischen Materialien

Nach dem Materialabtrag durch Beschuss von Femtosekunden-Laserpulsen wird bei Halbleitern und transparenten Dielektrikas eine Nano-strukturierte Oberfläche (Ripples) beobachtet. Die Bildung dieser Ripple-Strukturen wird einem Selbstorganisationsprozess zugeschrieben. Messungen der Dynamik der Mehrphotonen-Anregung an der Oberfläche dieser Materialien, sollen zur Aufklärung der strukturbestimmenden Prozesse mit beitragen. Eine empfindliche Methode, diese Änderungen zu verfolgen, ist die zeitverzögerte Frequenzverdopplung an der Oberfläche, eine typische „Pump-Probe“-Technik unter dem Einsatz von intensiven Femtosekunden-Laserpulsen. Hierbei wird vor allem der Zeitbereich
~ 70 fs – 1 ns untersucht.

3. Grenzflächen-SHG: Strukturelle Charakterisierung von Halbleiter-relevanten Si-Strukturen

Die Experimente beschäftigen sich mit Oberflächen-SHG an Si-Wafern mit ultrakurzen, intensiven Laserpulsen. Oberflächen-SHG stellt eine nicht-destruktive Methode dar, mit der von uns in-situ partielle Versetzung an Si-Wafer nachgewiesen werden konnten.
Im Besonderen, soll nun die Aufklärung vergrabener Defekte an Si/SiO2-und Si/Si-Grenzflächen neuartiger Direct-bonding-Strukturen im Mittelpunkt der zukünftigen Forschungsarbeiten stehen.