Diffractive optical elements (DOEs) serve an important function in many dynamic and static optical systems. The theory and design of surface diffractive structures are well understood and practically applied at high spatial and phase resolution for a wide range of optical applications in science and industry. However, these structures normally only harness phase modulation of uniform fields for the beam diffraction and therefore limit their range of application, as well as being susceptible to surface damage. Multilayered volume diffractive elements offer a powerful opportunity to harness both phase and amplitude modulation for benefits in diffraction efficiency and beam shaping. However, multilayered combinations have been difficult to fabricate and provide only weak diffraction for phase gratings with low refractive index contrast. The advent of femtosecond laser writing inside transparent media has enabled the facile embedding of optical devices such as waveguides and diffractive optics into novel three-dimensional geometries that offer advanced functionality with compact design. In this work, femtosecond laser writing is pushed to the limits of forming high resolution phase elements with sufficiently strong refractive index contrast on which to develop volume phase gratings with the highest diffractive efficiency. The formation of both positive and negative zones of refractive index contrast together with rapid Talbot self imaging inside weakly contrasting phase gratings are major challenges here diminish the efficiency of assembled gratings. A method of strategic layering of otherwise weakly diffracting gratings onto Talbot planes is introduced to demonstrate, in FDTD models, the definitive enhancement of overall diffraction efficiency. A systematic optimization of laser writing in fused silica verify this enhancement or diminishment with weak volume gratings assembled on aligned or misaligned on Talbot planes. Advanced laser beam control methods were further demonstrated that underpin new direction for the facile assembly of highly functional DOEs that can exploit coherent light diffraction for opportunities in improving the performance of holographic devices and extend further to the powerful combination of phase and amplitude modulation control that is potentially available in a single optical device, thereby opening new directions for the design and fabrication of robust and strongly diffracting volume optical devices.

Diffractive optical elements (DOEs) serve an important function in many dynamic and static optical systems. The theory and design of surface diffractive structures are well understood and practically applied at high spatial and phase resolution for a wide range of optical applications in science and industry. However, these structures normally only harness phase modulation of uniform fields for the beam diffraction and therefore limit their range of application, as well as being susceptible to surface damage. Multilayered volume diffractive elements offer a powerful opportunity to harness both phase and amplitude modulation for benefits in diffraction efficiency and beam shaping. However, multilayered combinations have been difficult to fabricate and provide only weak diffraction for phase gratings with low refractive index contrast. The advent of femtosecond laser writing inside transparent media has enabled the facile embedding of optical devices such as waveguides and diffractive optics into novel three-dimensional geometries that offer advanced functionality with compact design. In this work, femtosecond laser writing is pushed to the limits of forming high resolution phase elements with sufficiently strong refractive index contrast on which to develop volume phase gratings with the highest diffractive efficiency. The formation of both positive and negative zones of refractive index contrast together with rapid Talbot self imaging inside weakly contrasting phase gratings are major challenges here diminish the efficiency of assembled gratings. A method of strategic layering of otherwise weakly diffracting gratings onto Talbot planes is introduced to demonstrate, in FDTD models, the definitive enhancement of overall diffraction efficiency. A systematic optimization of laser writing in fused silica verify this enhancement or diminishment with weak volume gratings assembled on aligned or misaligned on Talbot planes. Advanced laser beam control methods were further demonstrated that underpin new direction for the facile assembly of highly functional DOEs that can exploit coherent light diffraction for opportunities in improving the performance of holographic devices and extend further to the powerful combination of phase and amplitude modulation control that is potentially available in a single optical device, thereby opening new directions for the design and fabrication of robust and strongly diffracting volume optical devices.

Durch neue Ansätze zur Charakterisierung molekularer und nanokristalliner Materialien spiegelt die vorliegende Arbeit die Synergie von linearer Optik über Ultrakurzzeitphysik zur nichtlinearen Optik wider. Angefangen mit der linearen diffusen Reflektanz (Remission) zur Bestimmung des spektralen Reflexionsvermögens von Pulverpartikeln, erlaubt die hier gezeigte alternative Herangehensweise (s. Kapitel 2) nicht nur ein vereinfachtes Messen der Remission zur Analyse von Materialzusammensetzungen, Verunreinigungen und Co-Dotierungen, sondern eröffnet zudem über Monte-Carlo Simulationen, kombiniert mit der Kubelka-Munk Theorie und der Mie Streuung, auch den Zugang zu dem ansonsten experimentell unzugänglichen Absorptionskoeffizienten von nicht-transluzenten Proben. Die präsentierten Mess- und Simulationsergebnisse an Pulvertabletten aus Rutil-Titandioxid (TiO2) und Cer-dotierten Yttrium Aluminium Granat (YAG:Ce3+) sind mit den bisherigen in der Literatur vorliegenden Ergebnissen konsistent oder zumindest vergleichbar. Auch lassen sich nach Modifikation der Kubelka-Munk Funktion die Bandkanten-Energien Eg der mikro- und nanokristallinen Pulverproben mittels so genannter Tauc Plots verifizieren. Basierend auf einer starken Temperatur- und Konzentrationsabhängigkeit lassen sich die Emissionsspektren der oben genannten YAG:Ce3+-Leuchtstoffe aufgrund von Überlappung oder Verschiebung der energetischen Grundniveaus 2F5/2 und 2F7/2 variieren (s. Kapitel 3). Während sich bei Tieftemperaturen um 19K die doppelbandige Natur der Leuchtstoffe zeigt, verbreitern sich die Emissionsbanden bei Raumtemperatur zu einer Einzelbande, womit eine spektral sehr breite Fluoreszenz einhergeht. Mathematische Entfaltungen dieser Spektren zeigen jeweils den prozentualen Beitrag der Relaxation aus dem untersten angeregten Zustand 5d1 in einen der beiden Grundzustände 2F5/2 und 2F7/2 und ebenso den Einfluss der Temperatur und Cer-Konzentration. Tatsächlich führen die experimentellen Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zu der Erkenntnis, dass eine der vier untersuchten YAG:Ce3+-Proben eine erhöhte Cer-Konzentration aufweisen muss. Anders als bei den schwach konzentrierten YAG:Ce3+-Proben ist die spektrale Doppelbande des stark konzentrierten Leuchtstoffs selbst bei 19K nur zu erahnen, während der Beitrag des 5d1 --> 2F7/2 Übergangs auf die Gesamtfluoreszenz retrograd zum 5d1 --> 2F5/2 Übergang mit steigender Temperatur sogar abnimmt. Im direkten Anschluss an die spektrale Vermessung der Proben folgen zeitaufgelöste Lebensdauermessungen zur Bestimmung der Nachleuchtdauern dieser Leuchtstoffe mittels Pikosekunden-Laserpulsen (ps-Pulse) (s. Kapitel 3.3). Auch hier stellen sich Unterschiede zwischen den genannten YAG:Ce3+-Proben heraus und untermauern erneut die Annahme unterschiedlicher Cer-Konzentrationen: Während die Nachleuchtdauer der niedrig konzentrierten Leuchtstoffe von der Temperatur nahezu unberührt bleibt, zeigt sich eine bemerkenswerte Temperaturabhängigkeit des 5d1 --> 2F5/2 Übergangs beim YAG:Ce3+ mit hohem Cer-Gehalt. Auf Basis sämtlicher experimenteller Erkenntnisse und einer ausgiebigen Literaturrecherche kann schließlich eine Fremddotierung der Leuchtstoff-Proben nahezu vollständig ausgeschlossen und ein Energieschema für die vorliegenden YAG:Ce3+-Leuchtstoffe mit den wichtigsten optischen Übergängen erstellt werden. In Hinblick auf potentielle holographische Applikationen wie der optischen Datenspeicherung oder Echtzeit-Holographie erweisen sich die in Polydimethylsiloxan eingebetteten photoschaltbaren Ruthenium-Sulfoxide aufgrund der äußerst geringen Beugungseffizienz von < 10−2 als nicht pragmatisch für die Praxis (s. Kapitel 4). Vergleichbare photoschaltbare Materialien, wie zum Beispiel Natriumnitrosylprussiat, erreichen hingegen Effizienzen von bis zu 100 %. Dennoch zeichnen sich die in Publikation 2 (s. Anhang A.2) vorgestellten Resultate an OSO-PDMS durch ihre äußerst hohe Qualität aus. Sowohl die dynamische Hologramm-Entstehung als auch die Rocking-Kurve folgen den physikalischen Theorien einwandfrei und lassen sich mit den bekannten mathematischen Anpassungen exakt wiedergeben, womit sich entsprechend intrinsische Größen ableiten lassen. Zudem beeindruckt der experimentelle Aufbau mit der präzisen Messung der oftmals nicht detektierbaren Nebenmaxima der gezeigten Rocking-Kurve sowie des Winkel-Multiplexings. Bemerkenswert ist außerdem aus physikalischer Sicht der immense Unterschied zwischen cw- und fs-Holographie. Hier deuten sich nichtlineare Effekte an, die zu der Erkenntnis führen, dass sich die bekannten Theorien mit cw-Lasern nicht ohne Weiteres deckungsgleich auf die Holographie mit ultrakurzen Laserpulsen anwenden lassen. Ein möglicher Erklärungsansatz ist in Kapitel 4.1 beschrieben. Einen praktischen Zweck zur Nutzung nichtlinearer Effekte erfüllt die vorgestellte Messmethode zur Unterscheidung polarer und nicht-polarer Materialien mittels intensiver fs- Puls-Anregung von sogenannten harmonischen (Upconversion-)Nanopartikeln (s. Kapitel 5). Denn anders als die zu Beginn behandelten Leuchtstoffe, weisen die harmonischen Nanopartikel eine starke Anti-Stokes Verschiebung durch Frequenzkonversion zweier oder dreier Photonen zu einem energiereicheren (kurzwelligen) Photon auf. Diese als SHG (second harmonic generation) und THG (third harmonic generation) bekannte Lichtemission wird spektral vermessen, wobei die zu Beginn der Arbeit beschriebenen linearen diffusen Reflektanzmessungen den zu erwartenden Spektralbereich ohne nennenswerte Absorption eingrenzen. Die eigens definierte Gütezahl fR, bestehend aus dem integrierten SHG- und THG-Emissionsspektrum einer Probe, kategorisiert dann die polare (fR > 1) oder nicht-polare (fR << 1) Natur des Materials.