Medizinische Physik 3: Medizinische Laserphysik [2004]

5 Nichtlineare Optik und kurze Laserpulse
F.X. Kärtner
Dieser Abschnitt soll einen Einblick in die lineare und nichtlineare Ausbreitung
von Laserstrahlung in Materie geben. Im Speziellen werden die wichtigsten
Prozesse der nichtlinearen Optik diskutiert. Dies erlaubt uns dann, die
Erzeugung kurzer Laserpulse mit Hilfe nichtlinearer optischer Effekte näher
zu betrachten. Kurze Laserpulse sind notwendig, um große nichtlineare optische
Effekte bei schon relativ niedrigen mittleren Leistungen zu erzielen.
Daraus resultieren wichtige Anwendungen in den Naturwissenschaften, der
Technik und der Medizin, z.B. in der Chirurgie das Schneiden von Gewebe.
Andererseits lassen sich kurze Laserpulse dazu verwenden, den Verlauf extrem
schneller physikalischer, chemischer oder biologischer Prozesse, welche
sich in wenigen Nano-, Piko- oder Femtosekunden ereignen, zu verstehen und
quantitativ zu erfassen. Wichtige Beispiele dafür sind die Aufklärung der
Reaktionspfade bei der Photosynthese [11] und die Ladungsträgerdynamik
in Halbleitern [22].
5.1 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen
Wir betrachten das elektrische Feld einer ebenen, elektromagnetischen Welle
mit der Frequenz ν bzw. Kreisfrequenz ω =2πν, welchesichineinemhomogenen
Medium in z-Richtung ausbreitet und entlang der x-Achse polarisiert
ist:
E(z,t) =E(z,t)ex = Ê cos(kz − ωt + ϕ)ex . (5.1)
Hier bedeuted Ê die Amplitude, ϕ die Phase und k die Wellenzahl der Welle.
Die Wellenzahl ist gegeben durch k = ω/c = ωn/c0, wobeicdie Lichtgeschwindigkeit
der Welle im Medium ist und c0 die Lichtgeschwindigkeit
im Vakuum sein soll. n ist dann der Brechungsindex des Mediums, d.h.
das Verhältnis zwischen der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und der Lichtgeschwindigkeit
im Medium. Abbildung 5.1 zeigt die Ebenen konstanter Phase
dieser Welle. Die Geschwindigkeit, mit der sich diese Ebenen nach rechts bewegen,
nennt man Phasengeschwindigkeit vp. In unserem Beispiel findet man
vp = c = c0/n.