SONDERFORSCHUNGSBEREICH 225
Oxidische Kristalle für elektro- und magnetooptische Anwendungen

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Wissenschaftliche Entwicklung des Sonderforschungsbereiches

Um in die wissenschaftliche Entwicklung des Sonderforschungsbereiches einzuführen, sollen zunächst einige der Anfangsbedingungen umrissen werden, die das Gebiet, auf dem der Sonderforschungsbereich arbeiten wollte, im Jahre 1985 kennzeichneten. Viele der damals vorgeschlagenen Untersuchungsziele waren angestoßen durch das wissenschaftliche und technologische Potential, das der ca. 20 Jahre vorher entdeckte photorefraktive Effekt versprach. Er war damals in einigen Materialien nachgewiesen worden, darunter in dem nicht lange vorher synthetisierten Lithiumniobat. Erste Ansätze zur Erklärung des Phänomens in diesem speziellen Kristall hatten zum Erfolg geführt, aber es zeigte sich, dass viele damit verbundene Aspekte noch nicht verstanden waren und dass insbesondere die mangelnde Beherrschung des Materials seinen Einsatz limitierten. Man wusste ebenso, dass weitere azentrische, darunter insbesondere oxidische Kristalle ebenfalls photorefraktiv waren, dass die mikroskopischen Ursachen dort jedoch noch mehr im Dunkeln lagen. Die Rolle von Störstellen, bekannt als die Quellen der beim photorefraktiven Effekt durch Licht transferierten Ladungsträger, war weitgehend unerforscht. Auch auf der Seite der Phänomene zeichneten sich neue Untersuchungsfelder ab, darunter bei der auf der Photorefraktivität beruhenden holographischen Streuung oder der Wellenleitung in dünnen Schichten nichtlinear optischer Materialien. Hier stellten sich interessante wissenschaftliche Fragen mit hoher technologischer Tragweite. 

Neben diesen Phänomenen, die auf der Wechselwirkung von Licht mit elektrooptischen Kristallen beruhen, waren analoge Erscheinungen bekannt, die in magnetooptischen Materialien auftreten. Hier waren ferrimagnetische Granate, darunter besonders Yttrium-Eisen-Granat (YIG), aussichtsreich. Viel Arbeit war bis dahin in die Charakterisierung der Mikrowelleneigenschaften dieses Materials geflossen, wenig wusste man dagegen über die Parameter, die dort die Ausbreitung von Licht beherrschen. Zudem war die zusätzliche optische Dämpfung – etwa im infraroten Fenster von YIG – durch Defekte so hoch, dass eine technische Nutzung ausgeschlossen schien. Verschiedene Ausprägungen der mit dem Ferrimagnetismus direkt oder indirekt verbundenen magnetischen Resonanzen waren bekannt, aber die sich abzeichnende Modulierbarkeit von Licht auf dieser Basis war weitgehend Neuland.

Diese Fragenkomplexe skizzieren die Ansätze, die die Forschungsplanung und die organisatorische Struktur des SFB bestimmten. Es war klar, dass eine verlässliche Erforschung der Wechselwirkung von Licht mit elektro- und magnetooptischen Kristallen nur realisiert werden konnte, wenn reproduzierbar herstellbare Materialien von hoher Qualität zur Verfügung standen. Daher bildet seither die Züchtung geeigneter Kristalle – aus bekannten und neu synthetisierten Verbindungen – einen starken Pfeiler im SFB. Er besteht aus einigen Projekten in Bereich A. Die eingehende Charakterisierung der Materialien auf mikroskopischem Niveau mit Hilfe verschiedener spektroskopischer Verfahren in Projekten aus den Bereichen A, B und C verbindet mit dem anderen Pfeiler, der Erforschung der optischen Phänomene in den Kristallen und der Entwicklung ihres Anwendungspotentials. Diese Arbeiten werden in Bereich D unternommen. Es zeigte sich, dass sich verschiedene Kristalle aus dem gleichen Material oft sehr unterschiedlich wegen des von Probe zu Probe variierenden Defektgehaltes verhalten. Die angestrebte Optimierung der Materialien durch gezielte Steuerung von erwünschten und unbeabsichtigten Störstellen erforderte daher eine enge Rückkopplung zwischen den einzelnen Bereichen. Da das Maßschneidern von Kristallen auf längere Sicht nur mit Unterstützung durch theoretische Simulationen von Defekteigenschaften erreicht werden kann, haben sich zwei Projekte entsprechenden Verfahren gewidmet. Ohne die vielfältige Expertise aus Kristallographie, anorganischer Chemie, angewandter, experimenteller und theoretischer Physik, die die beteiligten Wissenschaftler einbrachten, wäre der SFB weniger erfolgreich gewesen.

Die Arbeiten im SFB während der vergangenen fünfzehn Jahre haben sich natürlich nicht unabhängig von seinem wissenschaftlichen Umfeld in Europa und anderen Ländern entwickelt. Es ist hier nicht möglich, auf die vielen entsprechenden Wechselbeziehungen einzugehen. Eine Dokumentation der Entfaltung des Gebietes und der Stellung des SFB darin ist u. a. in den Sonderbänden der Zeitschrift „Applied Physics B; Photorefractive Materials: Properties and Devices“ zu finden, die von Mitgliedern des SFB herausgegeben wurden. Ergänzende Informationen liefern auch die Tagungsbände der in zweijährigem Turnus stattfindenden „International Topical Meetings on Photorefractive Materials, Effects and Devices“. An den Beiträgen zu diesen Bänden ist abzulesen, dass einerseits fast sämtliche der aktuellen Frage­stellungen auf dem Gebiet vom SFB aufgenommen wurden, dass andererseits der SFB mit seinen Beiträgen das Wachstum auf dem Forschungsfeld maßgebend angestoßen und vorangebracht hat.

Die Vielfalt der Ergebnisse, die sich im SFB aus den eingangs skizzierten Problemkreisen entwickelt haben, wird durch die Darstellungen der wissenschaftlichen Entwicklungen in den Berichten der Einzelprojekte beleuchtet.

Teilprojekte und Dauer der Finanzierung

Die Laufzeit des SFB umfasste 5 Bewilligungsperioden:

1.     1. Juli 1985 – 30. Juni 1988  (im folgenden:  1985 – 1988)

2.     1. Juli 1988 – 31. Dez. 1991  (1988 – 1991)

3.     1. Jan. 1992 – 31. Dez. 1994  (1992 – 1994)

4.     1. Jan. 1995 – 31. Dez. 1997  (1995 – 1997)

5.     1. Jan. 1998 – 31. Dez. 2000  (1998 – 2000)

 

Nr.

Projektleiter

Titel

Laufzeit

A1

Hesse

Züchtung von Kristallen für die nicht­lineare Optik

1985 - 2000

A2

Dötsch

Herstellung und Charakterisierung magnetischer Granatschichten

1985 - 2000

A3

Heiland

Analyse von Tiefenprofilen und Defekten

1985 - 1991

A4

Blachnik

Neue Materialien für elektrooptische Anwendungen

1985 - 1998

A5

Gather

Thermodynamische Daten und Verbindungen in den
Alkalioxid – Lanthanoidoxid – Niobpentoxid Systemen
(Projekt 1992 mit A11 vereinigt)

1985 - 1991

A6

(Rupp ab 1998: Kip)

Charakterisierung nichtidealer photorefraktiver Proben
mit holographischen Methoden

1988 - 2000

A7

Heiland

Herstellung und Charakterisierung schwerionen-implantierter Wellenleiter

1988 - 1991

A8

Neumann

Untersuchung von oxidischen Kristallen mit Hilfe der
Röntgenphotoelektronenspektroskopie

1988 - 2000

A9

Hesse

Züchtung von Kristallen mit azentrischer Struktur
(Projekt 1995 mit A1 vereinigt)

1992 - 1994

A10

Betzler

Nichtkollineare Frequenzverdopplung

1992 - 2000

A11

Gather

Diffusions- und Tiefenprofile mit der Mikrosonde

1992 - 2000

A12

Reuter

Röntgenbeugungsuntersuchungen an Einkristallen

1995 - 1997

B1

Kapphan

Optische Frequenzverdopplung in oxidischen Kristallen

1985 - 1991

B2

 

Projekt wurde nicht finanziert

 

B3

Borstel

Theorie der elektronischen Struktur einfacher Metalloxide

1985 - 1991

B4

Neumann

Experimentelle Bestimmung der elektronischen Struktur einfacher Metalloxide

1985 - 1991

B5

 

Projekt wurde nicht finanziert

 

B6

Borstel

Theorie der elektronischen Struktur oxidischer Kristalle: Störstellen und dielektrische Funktion

1988 - 1999

B7

Borstel

Theorie der elektronischen Struktur oxidischer Kristalle; Photoemission und statische Response-Koeffizienten

1992 - 1994

B8

Neumann

Die elektronische Struktur von ABO3 Verbindungen

1992 - 1994

C1

Kapphan

Ionische Störstellen in oxidischen Kristallen

1985 - 1991

C2

Schirmer

Störstellen: Struktur und photorefraktive Wirksamkeit

1985 - 2000

C3

Schirmer

Polaronen in oxidischen Materialien
(Projekt 1992 mit C2 vereinigt)

1985 - 1991

C4

Reyher

Korrelation von ESR- und optischen Spektren
(Projekt 1998 mit C2 vereinigt)

1985 - 1997

C5

Krätzig

Der lichtinduzierte Ladungstransport in elektrooptischen Kristallen

1988 - 2000

C6

Donnerberg, Schirmer

Simulation perfekter und defekter oxidischer Materialien

1992 - 1997

C7

Kapphan

Lumineszenz, Absorption und Ramanstreuung von Störstellen in oxidischen Materialien

1992 - 1999

D1

Dötsch

Magnetische Resonanzen in Granatschichten

1985 - 1994

D2

Hertel

Planare dielektrische Wellenleiter

1985 - 1991

D3

Ringhofer

Dynamische Holographie in elektrooptischen Kristallen

1985 - 1991

D4

Krätzig

Stabilisierung löschbarer Volumenphasenhologramme gegenüber dem Ausleselicht

1985 - 1991

D5

Krätzig

Holographische Untersuchungen lichtinduzierter Brechungsindexänderungen in Lithium­niobatwellenleitern

1985 - 1991

D6

Dötsch

Magnetooptische Wellenleiter

1985 - 1991

D7

von Bally

Elektrooptische Kristalle als Speichermaterialien für die holographische Interferometrie

1988 - 2000

D8

Krätzig

Photorefraktive Effekte bei hohen Lichtintensitäten
(Projekt 1995 mit C5 vereinigt)

1992 - 1994

D9

Krätzig

Holographische Streuung, Lichtverstärkung und Oszillation

1992 - 2000

D10

Hertel

Theoretische Untersuchungen zum integrierten magnetooptischen Isolator und Laser

1992 - 2000

D11

Dötsch

Modulatoren und Laser in Granatschicht-Wellenleitern

1992 - 2000

D12

Rupp

Beugung kalter Neutronen an lichtinduzierten Strukturen in photorefraktiven Kristallen

1992 - 1994

D13

Ringhofer

Anwendung phasenkonjugierender Spiegel in der optischen Messtechnik

1992 - 2000

Förderung des SFB 225 durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft

Jahr

Finanzmittel

1985

1.009.800 DM

1986

971.300 DM

1987

945.500 DM

1988

2.906.800 DM

1989

1.546.500 DM

1990

1.445.600 DM

1991

1.331.000 DM

1992

1.827.100 DM

1993

1.481.500 DM

1994

1.392.700 DM

1995

1.802.300 DM

1996

1.964.000 DM

1997

1.356.300 DM

1998

1.225.700 DM

1999

1.040.700 DM

2000

852.300 DM

Gesamt

23.099.100 DM

 

Darüber hinaus danken wir dem Land Niedersachsen und der Universität Osnabrück für die finanzielle Förderung während der gesamten Laufzeit des Sonderforschungsbereichs.

 

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Letzte Bearbeitung 10.01.2002 KB, JL