Direkt zum Inhalt

Lexikon der Optik: Selbstfokussierung

Selbstfokussierung, ein Effekt der nichtlinearen Optik, der darin besteht, daß ein intensives Lichtbündel beim Durchgang durch ein geeignetes nichtlineares Medium seinen Querschnitt immer mehr verringert. Die S. wird durch eine Intensitätsabhängigkeit der Brechzahl des Mediums verursacht. Es tritt eine der Lichtintensität proportionale Änderung Δn der Brechzahl auf, die somit der räumlichen Intensitätsverteilung folgt. Im Falle eines ursprünglichen Gaußförmigen Strahlprofils nimmt die Brechzahl – bei positivem Δn – vom Rand des Bündels zur Mitte hin zu. Das Medium wirkt daher wie eine Sammellinse und fokussiert das Bündel in einen Brenn"punkt". Dessen Abstand von der Eintrittsfläche wird als Selbstfokussierungslänge bezeichnet.

Voraussetzung für das Auftreten von S. ist, daß die fokussierende Wirkung des Mediums die gegenläufige, zu einer Vergrößerung der Bündeldivergenz führende Wirkung der Beugung (die mit abnehmendem Bündelquerschnitt immer stärker wird) überwiegt. Dazu sind bei den meisten Medien Lichtintensitäten erforderlich, die über einigen 1010 W/m2 liegen. Derartig hohe Intensitäten lassen sich nur mit Impulslasern erreichen.

Experimentell wurde gefunden, daß ein Lichtimpuls nach seiner Fokussierung in einzelne Filamente von einigen Zentimetern Länge zerfällt, die eine weitgehend konstante, für das Medium charakteristische Dicke (bei CS2 10 μm) besitzen. Das Licht ist in den Filamenten gewissermaßen eingefangen, weshalb man in der englischen Literatur von self-trapping ("Selbsteinfang") spricht. Das Auftreten vieler Filamente ist durch die Vielmodenstruktur des einfallenden Lichtes bedingt; bei Einstrahlung mit einem in einer einzigen Mode oszillierenden Laser ist nur ein Filament zu beobachten. Genauere experimentelle Untersuchungen zeigten, daß man sich jedes Filament genauer als einen laufenden Brennfleck vorzustellen hat.

In Festkörpern spielt die S. eine sehr schädliche Rolle, da dank der mit der Strahleinengung Hand in Hand gehenden Intensitätserhöhung leicht die Schwelle für das optical damage überschritten wird. Auf diese Weise kommt es speziell in Hochleistungslaseranlagen zu Zerstörungserscheinungen.

Ein aus einem Filament austretender Lichtimpuls besitzt ein ungewöhnlich breites Spektrum. Dieser Effekt ist eine Folge der sog. Selbstphasenmodulation, die folgendermaßen zustande kommt: Mit der Brechzahländerung Δn ist eine dazu proportionale Phasenänderung ΔΦ des Lichtes verbunden. Wie Δn zeigt daher auch ΔΦ die Zeitabhängigkeit der Lichtintensität, die in guter Näherung durch eine Gaußsche Glockenkurve wiedergegeben wird. Der zeitlichen Phasenänderung ΔΦ(t) wiederum entspricht physikalisch eine zeitabhängige Verschiebung Δν(t) der Mittenfrequenz des Lichtes von der Größe Δν(t)=-(2π)-1 ∂(ΔΦ)/∂t. Da sich die Intensität an der Vorder- und der Rückflanke besonders schnell ändert, ist dort die Frequenzverschiebung besonders groß. An der Vorderflanke findet dabei eine Rot-, an der Rückflanke eine Blauverschiebung der Frequenz statt, d.h., der Impuls besitzt einen up chirp (chirping). Da die Flanken um so steiler sind, je kürzer die Impulse sind, wächst die spektrale Breite des ausgetretenen Lichtes mit abnehmender Impulsdauer. Ausgehend von Piko- oder, was noch günstiger ist, Femtosekundenimpulsen kann man so Weißlichtimpulse erzeugen.

Selbstphasenmodulation tritt auch bei der Impulsausbreitung in optischen Fasern auf. Sie spielt dort eine wesentliche Rolle bei der Erzeugung von Solitonen und der Impulskompression.

Schreiben Sie uns!

Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.

  • Die Autoren
Roland Barth, Jena
Dr. Artur Bärwolff, Berlin
Dr. Lothar Bauch, Frankfurt / Oder
Hans G. Beck, Jena
Joachim Bergner, Jena
Dr. Andreas Berke, Köln
Dr. Hermann Besen, Jena
Prof. Dr. Jürgen Beuthan, Berlin
Dr. Andreas Bode, Planegg
Prof. Dr. Joachim Bohm, Berlin
Prof. Dr. Witlof Brunner, Zeuthen
Dr. Eberhard Dietzsch, Jena
Kurt Enz, Berlin
Prof. Joachim Epperlein, Wilkau-Haßlau
Prof. Dr. Heinz Falk, Kleve
Dr. Wieland Feist, Jena
Dr. Peter Fichtner, Jena
Dr. Ficker, Karlsfeld
Dr. Peter Glas, Berlin
Dr. Hartmut Gunkel, Berlin
Dr. Reiner Güther, Berlin
Dr. Volker Guyenot, Jena
Dr. Hacker, Jena
Dipl.-Phys. Jürgen Heise, Jena
Dr. Erwin Hoffmann, Berlin (Adlershof)
Dr. Kuno Hoffmann, Berlin
Prof. Dr. Christian Hofmann, Jena
Wolfgang Högner, Tautenburg
Dipl.-Ing. Richard Hummel, Radebeul
Dr. Hans-Jürgen Jüpner, Berlin
Prof. Dr. W. Karthe, Jena
Dr. Siegfried Kessler, Jena
Dr. Horst König, Berlin
Prof. Dr. Sigurd Kusch, Berlin
Dr. Heiner Lammert, Mahlau
Dr. Albrecht Lau, Berlin
Dr. Kurt Lenz, Berlin
Dr. Christoph Ludwig, Hermsdorf (Thüringen)
Rolf Märtin, Jena
Ulrich Maxam, Rostock
Olaf Minet, Berlin
Dr. Robert Müller, Berlin
Prof. Dr. Gerhard Müller, Berlin
Günter Osten, Jena
Prof. Dr. Harry Paul, Zeuthen
Prof. Dr. Wolfgang Radloff, Berlin
Prof Dr. Karl Regensburger, Dresden
Dr. Werner Reichel, Jena
Rolf Riekher, Berlin
Dr. Horst Riesenberg, Jena
Dr. Rolf Röseler, Berlin
Günther Schmuhl, Rathenow
Dr. Günter Schulz, Berlin
Prof. Dr. Johannes Schwider, Erlangen
Dr. Reiner Spolaczyk, Hamburg
Prof. Dr. Peter Süptitz, Berlin
Dr. Johannes Tilch, Berlin (Adlershof)
Dr. Joachim Tilgner, Berlin
Dr. Joachim Träger, Berlin (Waldesruh)
Dr. Bernd Weidner, Berlin
Ernst Werner, Jena
Prof. Dr. Ludwig Wieczorek, Berlin
Wolfgang Wilhelmi, Berlin
Olaf Ziemann, Berlin


Partnerinhalte