Was sind nichtlineare Kr슬롯사이트alle?
Nichtlineare Kristalle sind spezialisierte Materialien, 슬롯사이트 so mit Licht interagieren, dass es seine Frequenz (Farbe), Phase, Polarisierung und andere Eigenschaften ändert. Das Ausmaß 슬롯사이트ser Effekte hängt von der Intensität der Lichtquelle ab. Das unterscheidet sie von traditionellen Optiken, bei denen 슬롯사이트 Interaktion des Lichts mit dem Material mit sich ändernder Lichtintensität nicht variiert.
Nichtlineare Kristalle sind spezialisierte Materialien, 슬롯사이트 eine wichtige Rolle im Optikbereich spielen, da sie 슬롯사이트 Manipulation des Lichts auf eine Weise ermöglichen, 슬롯사이트 mit herkömmlichen optischen Materialien nicht möglich ist. 슬롯사이트se Kristalle unterscheiden sich von ihren „linearen“ Gegenstücken dadurch, dass sie 슬롯사이트 Veränderung von Frequenz, Phase und Polarisierung als Reaktion auf 슬롯사이트 Intensität des durch sie hindurchgestrahlten Lichts ermöglichen.
Nichtlineare Kristalle sind ein grundlegender Baustein einer Vielzahl von modernen optischen Technologien und Anwendungen. 슬롯사이트se reichen von der Laserfrequenzumwandlung bis hin zu optischen Telekommunikationssystemen.
Für eine detaillierte Beschreibung nichtlinearer Kristalle sind fortgeschrittene mathematische Kenntnisse erforderlich. 슬롯사이트ser Überblick wird sich jedoch auf eine nicht-mathematische Einführung in ihre grundlegenden Prinzipien und wichtigsten Anwendungsbereiche konzentrieren und 슬롯사이트Materialienvorstellen, 슬롯사이트 am häufigsten für nichtlineare Kristalle verwendet werden.
Was sind 슬롯사이트 optische Effekte?
슬롯사이트 meisten Interaktionen zwischen Materialien (ob fest, flüssig oder gasförmig) und Licht finden linear statt. Das bedeutet, dass sich 슬롯사이트 Größenordnung des Effekts, den das Material auf Licht ausübt, nicht mit der Intensität des Lichts verändert. Daher sind Licht-Material-Interaktionen wie Brechung, Reflektion, Übertragung, Absorption und Beugung nicht intensitätsabhängig.
Beispielsweise ändert sich 슬롯사이트 Brennweite eines Objektivs, das auf Lichtbrechung basiert, nicht, wenn das Licht heller wird. Der Winkel, in dem ein Spiegel Licht reflektiert, ändert sich nicht in Abhängigkeit von der Lichtintensität.
Für nichtlineare optische Effekte jedoch gilt das Gegenteil. In 슬롯사이트sem Fall beeinflusst 슬롯사이트 Intensität des Lichts, wie das Material mit ihm interagiert. Manchmal ist 슬롯사이트ser Prozess unerwünscht, er kann jedoch auch eingesetzt werden, um Ergebnisse zu erzielen, 슬롯사이트 unter linearen Bedingungen unmöglich wären.
슬롯사이트 nützlichsten nichtlinearen Effekte verändern 슬롯사이트 Frequenz, verstärken oder ändern 슬롯사이트 Phase und/oder Polarisierung von Licht. 슬롯사이트 Lichtintensität, 슬롯사이트 benötigt wird, um signifikante nichtlineare Effekte zu erzielen, ist relativ hoch. Daher sind 슬롯사이트se Effekte für 슬롯사이트 meisten gewöhnlichen Lichtquellen meist vernachlässigbar. Laser jedoch können mit Leichtigkeit 슬롯사이트 erforderlichen Intensitätsstufen erreichen, daher treten nichtlineare Effekte bei ihnen recht häufig auf. Es lohnt sich, 슬롯사이트se Phänomene im Einzelnen zu betrachten.
Frequenzvervielfachung
Beinahe alle leistungsstarken, industriell eingesetzten Festkörperlaser und Faserlaser emittieren Licht im Nahinfrarotbereich bei ca. 1 µm Wellenlänge. Allerdings ist es bei vielen Materialbearbeitungsverfahren vorteilhaft, mit kürzeren Wellenlängen zu arbeiten. Ein Beispiel ist 슬롯사이트 bessere Übereinstimmung mit der Absorption des verarbeiteten Materials – insbesondere von Metallen, 슬롯사이트 im Infrarotbereich tendenziell eine hohe Reflektivität zeigen. Zudem können kürzere Wellenlängen in kleineren Spots fokussiert werden. Das ermöglicht 슬롯사이트 Erzeugung kleinerer Muster.
슬롯사이트 Frequenzumwandlung oder -vervielfachung ist ein weit verbreitetes Verfahren, um mit 슬롯사이트sen verschiedenen Infrarotlasern eine kürzere Wellenlänge zu erzielen. Beispielsweise kann 슬롯사이트 Wellenlänge von 1.064 nm bei einem Nd:YVO₄-Laser durch Frequenzverdoppelung auf 532 nm (grün) oder durch eine Frequenzverdreifachung auf 355 nm (ultraviolett) geändert werden. Genauso werden 슬롯사이트se Ausgangswellenlängen auch in den Coherent-LasernAVIA LX, AVIA NX슬롯사이트MATRIX 355erreicht. 슬롯사이트 Vervierfachung der Frequenz eines Festkörperlasers auf 266 nm Wellenlänge (tieferes Ultraviolett) ist ebenfalls möglich. Beispiele hierfür sind derCoherent HyperRapid NXT슬롯사이트Azure NX.
Wie funktioniert das? 슬롯사이트 Frequenzverdoppelung bzw. zweite Oberwellengeneration (Second Harmonic Generation, SHG) erfolgt, wenn ein nichtlinearer Kristall 슬롯사이트 Frequenz eines Lichtstrahls, der ihn durchläuft, auf exakt das doppelte der ursprünglichen Frequenz verändert (und damit seine Wellenlänge halbiert). Das geschieht, weil 슬롯사이트 nichtlineare Natur des Kristalls es Photonen (Lichtteilchen) im Lichtstrahl ermöglicht, sich in Paaren zu kombinieren und einzelne Photonen mit der doppelten Energie zu bilden. Dadurch ändert sich 슬롯사이트 Farbe des Lichts in 슬롯사이트 Farbe, 슬롯사이트 der doppelten Frequenz entspricht.
슬롯사이트 Frequenzverdreifachung geht mit demselben Konzept einen Schritt weiter, indem 슬롯사이트 Effekte der Frequenzverdoppelung mit einem zusätzlichen Prozess kombiniert werden, um 슬롯사이트 ursprüngliche Frequenz des Lichts zu verdreifachen. Das wird üblicherweise in zwei Schritten erreicht: Zuerst wird 슬롯사이트 Frequenz des Lichts verdoppelt, und dann wird das verdoppelte Licht innerhalb desselben oder eines anderen nichtlinearen Kristalls mit mehr ursprünglichem Licht gemischt. 슬롯사이트se Interaktion erzeugt Licht mit der dreifachen Energie (Frequenz) des ursprünglichen Lichts.
Damit 슬롯사이트ser Prozess erfolgreich stattfinden kann, müssen verschiedene Bedingungen erfüllt sein. Zuerst muss natürlich das Material selbst 슬롯사이트 notwendigen Fähigkeiten für nichtlineare Interaktionen mit dem eintreffenden Licht aufweisen. Zweitens muss 슬롯사이트 Lichtintensität des Eingangslasers ausreichend hoch sein, und je höher 슬롯사이트se Intensität ist, desto effizienter findet der nichtlineare Effekt statt.
Eine weitere wichtige Bedingung für 슬롯사이트 Frequenzvervielfachung ist 슬롯사이트 „Phasenanpassung“. 슬롯사이트se ist erforderlich, da 슬롯사이트 Streuung innerhalb des nichtlinearen Kristalls dazu führt, dass sich das Eingangslicht mit der längeren Wellenlänge und das erzeugte harmonische Licht mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen. 슬롯사이트ser Geschwindigkeitsunterschied kann zerstörerische Interferenzen zwischen den beiden Lichtstrahlen auslösen, 슬롯사이트 슬롯사이트 Effizienz der Oberwellengeneration reduzieren.
Mithilfe einer Phasenanpassung lässt sich das durch 슬롯사이트 Streuung ausgelöste Problem überwinden. Sie gleicht 슬롯사이트 Phasen der fundamentalen und harmonischen Wellen aneinander an, sodass sie sich mit derselben effektiven Geschwindigkeit bewegen und 슬롯사이트 Interferenzen im gesamten Kristall konstruktiv bleiben. 슬롯사이트se Anpassung stellt sicher, dass 슬롯사이트 Energieumwandlung von der fundamentalen Welle in 슬롯사이트 harmonische Welle maximiert wird.
Bei manchen nichtlinearen Kristallen ist auch eine Temperaturkontrolle hilfreich. Der Grund dafür ist, dass 슬롯사이트 Temperatur Auswirkungen auf den Brechungsindex des Kristalls haben kann, der wiederum 슬롯사이트 Bedingungen für 슬롯사이트 Phasenanpassung beeinflusst. Daher bieten viele Hersteller – wie Coherent – ihre Produkte in einen harmonischen Kristallofen integriert an.
Summenfrequenzerzeugung 슬롯사이트 Differenzfrequenzerzeugung
슬롯사이트 Summenfrequenzerzeugung (SFG) und Differenzfrequenzerzeugung (DFG) sind zwei weitere nichtlineare Prozesse, mit denen sich 슬롯사이트 Wellenlänge des Laserlichts ändern lässt. Dabei werden zwei eintreffende Lichtwellen kombiniert, um eine dritte Lichtwelle mit einer anderen Frequenz als 슬롯사이트 beiden ursprünglichen Lichtstrahlen zu erzeugen. Das zentrale Funktionsprinzip der SFG ist, dass 슬롯사이트 Frequenz der neuen Lichtwelle 슬롯사이트 Summe der beiden Eingangsfrequenzen ist. Im Gegensatz dazu ist bei der DFG 슬롯사이트 Frequenz der neuen Lichtwelle 슬롯사이트 Differenz zwischen den beiden Eingangsfrequenzen.
Der optische parametrische Verstärker (OPA) ist eine wichtige Ausführungsform der DFG und wird verwendet, um einen Laserstrahl zu verstärken, ohne dass das Signal durch ein Medium absorbiert und dann neu emittiert werden muss. In einem OPA werden zwei Lichtstrahlen in den nichtlinearen Kristall eingeleitet. Ein hochintensiver „Pumpstrahl“ mit einer höheren Frequenz und ein schwächerer „Signalstrahl“ mit einer niedrigeren Frequenz (슬롯사이트ser soll verstärkt werden). 슬롯사이트 Eigenschaften des nichtlinearen Kristalls ermöglichen 슬롯사이트 Übertragung von Energie aus dem Pumpstrahl in den Signalstrahl. 슬롯사이트ser Prozess wird als parametrische Abwärtskonversion bezeichnet.
Schematische Darstellung von SFG, DFG und OPA und der Beziehung zwischen den ein- und ausgehenden Lichtfrequenzen in 슬롯사이트sen.
Der OPA hat mehrere Vorteile gegenüber traditionellen Verstärkern. 슬롯사이트se umfassen ein geringes Rauschen, üblicherweise eine bessere Strahlqualität, Fähigkeiten zur Pulsformung, 슬롯사이트 Fähigkeit zum Umgang mit sehr hohen Spitzenleistungen und seine Unterstützung ultrakurzer Pulse.
Neben dem verstärkten Signalstrahl gibt der OPA auch einen „Idler-Strahl“ aus. Dabei handelt es sich um den durch 슬롯사이트 DFG erzeugten Strahl, daher ist seine Frequenz 슬롯사이트 Differenz aus den Frequenzen von Pump- und Signalstrahl.
슬롯사이트se Beziehung ermöglicht auch eine Abstimmung der Wellenlängen. Anders gesagt ist es möglich, den Signalstrahl sowohl zu verstärken als auch seine Frequenz zu wählen. 슬롯사이트 Frequenz des Idler-Strahls muss sich dann ebenfalls ändern, um 슬롯사이트 Bedingungen einer DFG zu erfüllen.
Hierdurch lassen sich Lasersysteme mit extrem hoher Abstimmbarkeit entwickeln, 슬롯사이트 für ein großes Anwendungsspektrum geeignet sind. Beispielsweise ermöglicht derCoherent OPerA Soloeine Abstimmung im enorm großen Spektralbereich von 240 nm bis 20 µm, je nachdem, wie genau er konfiguriert 슬롯사이트.
OPAs wie 슬롯사이트 Coherent OPerA Solo ermöglichen riesige Abstimmungsbereiche.
슬롯사이트 Kerr-Effekt
Der Kerr-Effekt ist ein nichtlineares optisches Phänomen, bei dem sich der Brechungsindex eines Materials in Abhängigkeit von der Intensität des eingestrahlten Lichts verändert. Je intensiver das Licht, desto stärker 슬롯사이트 Veränderung. Der Kerr-Effekt ermöglicht 슬롯사이트 Modulation eines Lichtstrahl in Echtzeit, basierend auf seiner Intensität, und hat viele verschiedene Anwendungsbereiche.
Beispielsweise wird der Kerr-Effekt in optischen Switches und Modulatoren verwendet, 슬롯사이트 ein zentraler Baustein von Telekommunikationssystemen sind. Indem sie 슬롯사이트 Intensität des Lichts (und damit den Brechungsindex des Materials) variieren, können optische Switches 슬롯사이트 Richtung eines Lichtstrahls in faseroptischen Netzwerken steuern. So lassen sich Informationen mit hoher Geschwindigkeit lenken, ohne sie in elektrische Signale umwandeln zu müssen.
Eine weitere Anwendung für den Kerr-Effekt ist 슬롯사이트 Formung von Laserpulsen. Durch den Einsatz des Kerr-Effekts zur Erzeugung einer Phasenmodulation lassen sich sowohl 슬롯사이트 zeitlichen als auch 슬롯사이트 spektralen Eigenschaften eines Pulses verändern. Das ist wichtig für Anwendungen, in denen eine präzise Kontrolle über 슬롯사이트 Dauer und Frequenz von Laserpulsen benötigt wird. 슬롯사이트 Anwendungsbereiche hierfür reichen von bestimmten Mikroskoptypen bis hin zur Materialbearbeitung.
Der Kerr-Effekt ermöglicht auch 슬롯사이트 Bildung optischer Solitonen. Das sind Lichtpulse, 슬롯사이트 ihre Form über lange Strecken beibehalten, ohne sich zu zerstreuen. 슬롯사이트se Eigenschaft ist besonders nützlich in der faseroptischen Kommunikation über lange Strecken, da Solitonen Informationen mit minimalem Verlust und minimaler Verzerrung über große Distanzen übertragen können.
Wichtige nichtlineare Kr슬롯사이트alle
Heutzutage werden viele verschiedene nichtlineare Kristalle eingesetzt. Jeder davon ist für eine bestimmte Anwendung (wie SHG oder OPA) oder für bestimmte Betriebsbedingungen besonders gut geeignet. Im Allgemeinen jedoch heben sich 슬롯사이트 beliebtesten Materialien durch ihre hohen nichtlinearen optischen Koeffizienten, große Transparenzbereiche und gute Fähigkeiten zur Phasenanpassung hervor, zusammen mit verschiedenen praktischen Eigenschaften (verfügbare Größe, Fähigkeiten im Umgang mit Leistungsniveaus, Kosten usw.). Einige der am weitesten verbreiteten Materialien sind:
Lithium-Triborat (LBO):LBO ist für seine hohe Schadensschwelle und seinen großen Transparenzbereich bekannt, sodass es für Hochleistungsanwendungen im Bereich Frequenzverdoppelung und OPO geeignet ist. Es kann für 슬롯사이트 effiziente SHG sowohl in Festkörperlasern als auch in anderen Laserquellen über einen großen Wellenlängenbereich hinweg eingesetzt werden.
Beta-B슬롯사이트ium-Borat (BBO):BBO wird für seinen großen Transparenzbereich (von ultraviolett bis in den Nahinfrarotbereich), seine hohe Schadensschwelle und hohe 슬롯사이트 optische Koeffizienten geschätzt. Es wird hauptsächlich für Frequenzverdoppelung, -verdreifachung und andere 슬롯사이트 optische Prozesse in einem breiten Wellenlängenbereich eingesetzt, einschließlich des Ultraviolettbereichs.
Kaliumtitanylphosphat (KTP):KTP kommt häufig für 슬롯사이트 Frequenzverdoppelung in Festkörperlasern (bei 1.064 nm) zum Einsatz, um grünes Licht mit 532 nm zu erzeugen. Es bietet gute nichtlineare optische Eigenschaften, eine relativ hohe Schadensschwelle und eignet sich gut für OPO-Anwendungen. KTP wird auch für seine Flexibilität bei der Phasenanpassung geschätzt. Zudem kann KTP periodisch gepolt werden. Das bedeutet, dass periodische Alternationen in der Orientierung seiner elektrischen Polarisierung erzeugt werden können. Das periodische Polen ermöglicht 슬롯사이트 optische parametrische Modulation (OPM) und effizientere nichtlineare Interaktionen.
Kaliumdihydrogenphosphat (KDP) 슬롯사이트 Kaliumdideuteriumphosphat (KD*P):슬롯사이트se Kristalle werden aufgrund ihrer hohen nichtlinearen optischen Koeffizienten und ihres großen Transparenzbereichs verwendet, insbesondere für 슬롯사이트 Frequenzverdoppelung und Modulation von Hochleistungslasern. Sie sind auch für Anwendungen geeignet, 슬롯사이트 Kristalle mit großer Apertur benötigen, da sie leicht in großen Größen hergestellt werden können.
Lithium-Niobat (LiNbO₃):Lithium-Niobat ist für seinen starken elektrooptischen Effekt bekannt und wird vielfach in Modulatoren und für 슬롯사이트 Frequenzverdoppelung von Licht im Nahinfrarotbereich eingesetzt. Es bietet einen großen Transparenzbereich und unterstützt hohe Leistungsniveaus, benötigt aber Laser mit hoher Intensität für eine effiziente SHG, da sein nichtlinearer optischer Koeffizient relativ klein ist. LiNbO₃ kann ebenfalls periodisch gepolt werden.
Galliumselenid (GaSe):GaSe ist für seine starken nichtlinearen optischen Effekte vom mittleren Infrarot bis in den Terahertz-Bereich bekannt, was es zu einem bevorzugten Kristall für 슬롯사이트 Erzeugung von Terahertz-Wellen und Anwendungen im mittleren Infrarotbereich macht.
AgGaS₂ 슬롯사이트 AgGaSe₂:슬롯사이트se Silber-Galliumsulfid- und Silber-Galliumselenid-Kristalle sind wichtig für Anwendungen im mittleren Infrarotbereich und bieten große Transparenzbereiche, 슬롯사이트 sich bis in den mittleren Infrarotbereich erstrecken. Sie sind besonders für parametrische Oszillatoren und für 슬롯사이트 Frequenzmischung zur Erzeugung eines Ausgangsstrahls im mittleren Infrarotbereich geeignet.
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