Kontakt: Morten Bache, 345v-074, 4525 3775, moba@fotonik.dtu.dk
Fotonik er et af de områder i fysikken der spænder videst. Med laseren som udgangspunkt kan man gå i alle retninger, fra den mest grundlæggende nysgerrighedsdrevne fysik over til innovation og produktion hvor alle de klassiske ingeniørmæssige aspekter bliver udfordret. Der er tæt kontakt til industrien så stort set alt hvad man laver kan rent faktisk realiseres, og der inden for forskningen er der en stærk synergi mellem teori og eksperimenter. Dette skyldes at laseren som redskab er ekstremt fleksibelt og udbredt, så der både laves eksperimentelle resultater, som teorien hurtigt kan udvikles til at forklare, og samtidig er nye teorier hurtigt efterprøvet i laboratoriet.
Det er netop denne synergi der er baggrunden for dette fagprojekt. I gruppen for Ultrahurtig Ulinær Optik (www.fotonik.dtu.dk/uno) laver vi eksperimenter med nogle af de kraftigste og korteste laserimpulser der findes. Med en varighed på 50-100 femtosekunder (1 femtosekond=10-15 sek.; femto=femten i eksponenten) er de så korte at de tidsligt kan opløse molekylevibrationer og kemiske reaktioner, og den ultrakorte varighed gør at selv en impuls med en relativt lille energi (omkring 1/1000 Joule) kan give spidseffekter på 100 GigaWatt. Med så høje effekter begynder selv meget svage ulineære effekter at blive kraftige, og selv et simpelt stykke glas eller bare luft kan udvise ekstremt komplekse optiske effekter.
Som eksempel på dette lavede vi for nyligt et eksperiment som viste at ved at propagere en intens og ultrakort nær-infrarød laserimpuls i en kort (10 mm) LiNbO3 krystal, så dannes der en kraftig ”dispersiv bølge” i det mellem-infrarøde (MIR) område omkring 3 mikrometer bølgelængde (se figuren). Det var forventet at en sådan MIR bølge ville opstå, men teorien kunne ikke forklare hvorfor den blev dannet ved 3 mikrometer eller hvorfor bølgen ikke ændrede bølgelængde når intensiteten eller bølgelængden af den nær-infrarøde pumpelaser blev varieret. Vi måtte derfor lave ændringer i parametrene i den numeriske model for at forstå det observerede fænomen, og til sidst fandt vi en fornuftig forklaring og kunne præsentere simuleringer som uddybede den fysiske forståelse af de komplekse effekter der opstår inden i krystallen (se figuren).
Formålet med dette projekt er at lære at arbejde med den numeriske model vi bruger i gruppen til at simulere disse komplekse fænomener. Modellen er meget generel og teknikken kan bruges til mange andre formål, både inden for optik men også fysik generelt. Programmeringssproget er Matlab, da denne brugergrænseflade er simpel og intuitiv og samtidig integrerer den grafiske del. Modellen tager udgangspunkt i Maxwell’s ligninger, og kobler derfor direkte til de fundamentale byggeklodser inden for optikken, men samtidig kan modellen også udledes fænomenologisk, således at hvert bidrag i ligningerne har en intuitiv forklaring. Dette sikrer at forståelsen for fysikken i ligningerne er bevaret.
Forudsætninger: nysgerrighed, en smule programmeringskundskaber, tålmodighed, en vis glæde ved at rode lidt med (semi-)analytiske løsninger af partielle differentialligninger…
