Schwerpunkt

Der Beginn einer Erfolgsgeschichte

Vor 50 Jahren schlug die Geburtsstunde der nichtlinearen Optik.

  • Cornelia Denz
  • 11 / 2012 Seite: 31

Aus wissenschaftlicher Neugier bestrahlten Experimentatoren ab 1961 Materie mit Laserlicht und be­obachteten völlig neuartige Effekte. Damit revolutionierten sie nicht nur unser Bild der Wechselwirkung von Licht und Materie, sondern hoben auch die ­nichtlineare Optik aus der Taufe. Als Geburtsstunde gilt die Veröffentlichung der zugrunde liegenden Theorie im Herbst 1962. Die nichtlineare Optik ist heutzutage im Laboralltag und in Anwendungen ­allgegenwärtig.

Für die moderne Optik waren die Sechzigerjahre eine aufregende Zeit, die bis heute unsere wissenschaftlichen Arbeiten prägt und zahlreiche, aus dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenkende Innovationen hervorgebracht hat. Der Laser war gerade erst entdeckt. Dieses Gerät, welches das Konzept des zehn Jahre zuvor entwickelten Masers in das optische Spektrum übertrug, galt als Lösung ohne Problem. Nur wenig später – mit Kinostart 1964 – traktierte Bösewicht Goldfinger den Geheimagenten James Bond mit einem Laser und belehrte ihn, dass der industrielle Laser sehr viele Anwendungen habe und man damit auch Metall schneiden könne. Dieser schnelle Wandel der Einschätzung des Lasers hat viel damit zu tun, dass innerhalb kürzester Zeit ein neues Gebiet der Optik entstanden war, das bis heute maßgeblich Laserlichtquellen und -anwendungen bestimmt: die nichtlineare Optik.
Nichtlineare Effekte entstehen in der Optik, wenn die Polarisation eines Materials nichtlinear vom elek­trischen Feld abhängt. Aus der klassischen linearen Optik wissen wir, dass die Polarisation direkt proportional zum elektrischen Feld ist, wobei die dielektrische Suszeptibilität die verbindende Konstante darstellt. Sie ist proportional zum Quadrat des komplexen Brechungsindex, der die Absorption und Dispersion im Material bestimmt. Unsere atomare Vorstellung dieser linearen Licht-Materie-Wechselwirkung geht von Elektronen aus, die fest am Atomrumpf gebunden sind. Einfallendes Licht kann diese zu Schwingungen um ihre Ruhe­lage anregen. Diese Oszillationen erzeugen wie beim Hertzschen Dipol erneut Lichtstrahlung mit der Frequenz der Ladungsoszillation, solange die einfallende Lichtintensität klein genug relativ zur Coulomb-Feldstärke der äußeren gebundenen Elektronen ist.
Durch den Laser war nun eine intensive Lichtquelle verfügbar. Schon der erste Rubinlaser konnte mit Pulsen im Nanosekundenbereich eine Leis­tung von mehreren Kilowatt pro Quadratzentimeter erzielen. Fokussiert erreichte er den Megawatt-Bereich und erzeugte dadurch elektrische Felder von 105 Volt pro Zentimeter. Bedenkt man, dass in einem Atom mittlerer Größe, z. B. in einem Natrium­atom, das Elektron am Atomrumpf mit einer Feldstärke von 109 Volt pro Zentimeter gebunden ist, wird ein solches Feld das Elektron zwar nicht aus der Atombindung lösen, aber zumindest kräftig „durchschütteln“. Als Folge davon schwingt das Elektron nicht mehr harmonisch um den Atomrumpf. Seine Schwingung enthält höhere Harmonische und damit nichtlineare Anteile, die sich auf das Licht übertragen. Daher enthält das aus dem Material austretende Licht ebenfalls Anteile mit neuen Frequenzen. Im Umkehrschluss können mehrere in ein Material einfallende Laserstrahlen mit unterschiedlichen Frequenzen Licht mit einer ungeahnten Vielfalt neuer Frequenzen erzeugen. ...

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