Ohne Materie kein Licht

Die Optik ist die älteste Disziplin der Physik. Während die Menschen in der Antike annah­men, dass das Licht in Form von »Sehstrahlen« ihren Augen entspringt, wissen wir es heute besser: Das Licht entspringt der Materie und wird im Auge registriert. Es ist Welle und Teilchen zugleich. Nichts bewegt sich schneller und das, was wir als sichtbares Licht wahrnehmen, ist lediglich ein kleiner Teil eines breiten Spektrums. Dennoch ist die »Lehre des Lichts« noch nicht in allen Aspekten verstanden. Zwar ist der Mensch nicht der Ur­sprung des Lichts, doch hat er mit der nichtlinearen Optik ein eigenes Kapitel der Physik aufgeschlagen.

Text: Ute Schönfelder

Was ist überhaupt nichtlineare Optik?

Zur Beantwortung dieser Frage ist zu­nächst ein Blick auf die althergebrachte – lineare – Optik nützlich. Diese heißt so, weil es einen linearen Zusammen­hang zwischen ein- und abgestrahltem Licht gibt, das durch einen Körper oder ein Medium hindurch geht. Fällt etwa ein Sonnenstrahl durch Fensterglas, so kommt auf der anderen Seite eine bestimmte Menge Licht wieder her­aus. Strahlt die doppelte Menge Licht durch das Glas, so verdoppelt sich auch das Licht auf der anderen Seite. »Auch die Wellenlänge – also die Farbe – des Lichts ändert sich bei linear optischen Vorgängen nicht«, erklärt Prof. Dr. Ger­hard Paulus, Professor für nichtlinea­re Optik der Universität Jena. »Rotes Licht wird als roter Strahl gebeugt oder gebrochen; wenn ich mit grünem Licht einen Gegenstand beleuchte, reflektiert er grünes Licht.«

Bei der nichtlinearen Optik ist das an­ders. Da wird aus einem infraroten Lichtstrahl, der auf einen Kristall trifft, plötzlich grünes Licht. Und anders als in der linearen Optik führt eine Ver­dopplung des eingestrahlten Lichts zu einer Vervierfachung des abgestrahlten Lichts.

Wie kommt das?

Eine entscheidende Voraussetzung für solche Effekte ist die Intensität des ver­wendeten Lichtstrahls. »Nichtlineare Optik ist erst bei sehr hoher Intensität der Lichtwellen möglich«, macht Pau­lus deutlich. Erst bei einer Intensität von etwa dem Milliardenfachen der Sonnen­intensität treten nichtlineare Effekte auf, »also bei elektrischen Feldstärken von Lichtwellen, wie sie in unserem Alltag nicht vorkommen«. Um so viele Pho­tonen – die Lichtteilchen – in einem Strahl zu bündeln, braucht es Laser. Ungezähmt bewegen sich Photonen mit Lichtgeschwindigkeit in alle Richtun­gen des Raumes. Sie zu einem Kollek­tiv zu vereinen, dass sich kohärent ver­hält, also mit einheitlicher Wellenlänge und identischer Schwingungsphase, ist ohne Lasertechnik nicht möglich. Kurz gesagt: Bis zur Erfindung des Lasers in den 1960er Jahren existierte nichtlineare Optik nur als Theorie.

Was genau bei extrem intensiven Licht­feldern in Materie passiert, erklärt Pau­lus so: Die Photonen regen Ladungsträ­ger im Material, zumeist Elektronen, zu Schwingungen an. Bei geringen Strahlungsintensitäten gilt dabei das Hooksche Gesetz: die Auslenkung der Ladungsträger verhält sich proportio­nal zur aufgewendeten Kraft – also der Feldstärke der einstrahlenden Lichtwel­len. Die Elektronen schwingen umso stärker, je intensiver die Strahlung ist und geben dabei elektromagnetische Strahlung ab. Bei niedrigen Intensitäten schwingen die Lichtwellen und ange­regten Elektronen sinusförmig. Bei ho­hen Intensitäten aber, also bei extremer Auslenkung der Elektronen aus ihrer Bahn, sind ihre Bewegungen verzerrt. Als Folge strahlen die Elektronen nicht nur Licht in der sie anregenden Wellen­länge ab, sondern auch in anderen Fre­quenzen.

Besonders geeignet, um nichtlineare optische Effekte hervorzurufen, sind Kristalle mit einer bestimmten Gitter­struktur. »Prinzipiell sind aber alle Ma­terialien geeignet«, so Paulus. Selbst in der Luft lassen sich nichtlineare opti­sche Effekte erzeugen.

Welche nichtlinearen optischen Phänomene gibt es?

Zu den wichtigsten Effekten gehören die Frequenzverdopplung und die Erzeugung hoher Harmonischer. Daneben gibt es zahlreiche weitere Phänomene der Frequenzver­vielfachung und -mischung sowie der Selbst­phasenmodulation, die in einem Video erklärt werden. Wesentlich für alle nichtlinear-optischen Prozesse ist, dass Licht mit einem geeigneten Medium wechselwirkt.

Warum werden nichtlineare Effekte an Nanostrukturen untersucht?

Was sich bei diesen Vorgängen im Detail abspielt, wie Licht- und Mate­rieteilchen interagieren, das untersu­chen Forschungsteams des Sonderfor­schungsbereichs »Nichtlineare Optik auf atomaren Skalen«. Insbesondere nehmen die Forschenden in den Blick, was passiert, wenn intensives Laserlicht auf Nanostrukturen trifft. Ihr Ziel: um­fassendes Verständnis für diese Prozes­se zu gewinnen, um Nanomaterialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften herstellen zu können, die als Senso­ren, Halbleiter oder optoelektronische Bauelemente zum Einsatz kommen.