Charakterisierung und Parameterabhängigkeit komplexer Muster in einer Einspiegelanordnung

Diplomarbeit aus dem Jahr 2001 im Fachbereich Physik - Optik, Note: 1,7, Westfälische Wilhelms-Universität Münster, Sprache: Deutsch, Abstract: Seit einigen Jahren ist ein wachsendes Interesse an Strukturbildungsprozessen zu beobachten.

Dabei ist es eine weitverbreitete Beobachtung, dass der homogene Gleichgewichtszustand instabil wird, wenn das System durch Änderung eines Stressparameters weit genug aus dem thermodynamischen Gleichgewicht getrieben wird. Typischerweise bilden sich an der Schwelle zunächst einfach periodische Muster (Streifen, Quadrate, Hexagone).

Viele ihrer Eigenschaften sind unabhängig von dem spezifischen musterbildenden System, in dem sie auftreten. Bei einer weiteren Erhöhung des Stressparameters kommt es oft zu sekundären Bifurkationen oder Sequenzen von Bifurkationen, in denen das Systemverhalten zunehmend komplexer wird. Vieluntersuchte Möglichkeiten sind das Auftreten von Defektstrukturen und regulären oder irregulären Zeitabhängigkeiten.

In den letzten Jahren wurde klar, dass es auch andere Möglichkeiten zur Erzeugung von stationären Zuständen höherer Komplexität gibt, in denen eine hohe Regularität über das Grundgebiet erhalten bleibt. Überstrukturen oder Supergitter, welche sich aus einfacheren Gittern zusammensetzen lassen, wurden in hydrodynamischen Experimenten gefunden. Theoretische Beschreibungen sind erst in den Anfängen.

Überstrukturen wurden vor kurzem in unserer Arbeitsgruppe in einem musterbildenden optischen System beobachtet. Es handelt sich um eine experimentelle Realisierung einer so genannten Einspiegelanordnung, die ein wichtiges Modellsystem zur Untersuchung von Musterbildung in der nichtlinearen Optik ist. Sie besteht aus einem nichtlinearen Medium und einem Spiegel, der einen Teil des durch das Medium transmittierten Lichts in dasselbe zurückkoppelt. Die Muster werden als räumliche Strukturen in der Ebene transversal zur Ausbreitungsrichtung beobachtet, d.h. das Lichtfeld wird senkrecht zur Ausbreitungsrichtung aufgrund des Zusammenspiels von Beugung und der Wechselwirkung mit einem nichtlinearen Medium moduliert.

Die Verwendung von Natrium als nichtlineares Medium erleichtert die Kontrolle über die Bildung von Mustern, da die Nichtlinearität in Abhängigkeit von experimentell gut zugänglichen Parametern, wie dem Magnetfeld, der Polarisation und der Teilchenzahldichte, sich über eine große Spanne ändert. Zudem existiert ein etabliertes Modell.