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UberblickFluoreszenz
Nichtlineare OptikAbschlussarbeiten
1 UberblickMaterialienWorum geht es?Physikalische Beschreibung
2 FluoreszenzAbsorptionLumineszenzLebensdauer, Effizienz
3 Nichtlineare OptikLinear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
4 Abschlussarbeiten
Klaus Betzler Optische Materialien 2
UberblickFluoreszenz
Nichtlineare OptikAbschlussarbeiten
MaterialienWorum geht es?Physikalische Beschreibung
Kristalle
Klaus Betzler Optische Materialien 3
UberblickFluoreszenz
Nichtlineare OptikAbschlussarbeiten
MaterialienWorum geht es?Physikalische Beschreibung
Glaser
Komposite
Keramiken
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UberblickFluoreszenz
Nichtlineare OptikAbschlussarbeiten
MaterialienWorum geht es?Physikalische Beschreibung
Material und Funktion
Klaus Betzler Optische Materialien 5
UberblickFluoreszenz
Nichtlineare OptikAbschlussarbeiten
MaterialienWorum geht es?Physikalische Beschreibung
Material und Funktion
Anregung ⇒
Klaus Betzler Optische Materialien 5
UberblickFluoreszenz
Nichtlineare OptikAbschlussarbeiten
MaterialienWorum geht es?Physikalische Beschreibung
Material und Funktion
Anregung ⇒ Material ⇒
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UberblickFluoreszenz
Nichtlineare OptikAbschlussarbeiten
MaterialienWorum geht es?Physikalische Beschreibung
Material und Funktion
Anregung ⇒ Material ⇒ Wirkung
Klaus Betzler Optische Materialien 5
UberblickFluoreszenz
Nichtlineare OptikAbschlussarbeiten
MaterialienWorum geht es?Physikalische Beschreibung
Materialtensoren
P = χε0E
χ — Suszeptibilitatstensor
⇒ Dielektrizitatskonstante⇒ Brechungsindex⇒ Absorption
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UberblickFluoreszenz
Nichtlineare OptikAbschlussarbeiten
MaterialienWorum geht es?Physikalische Beschreibung
Materialtensoren
P = χε0E
χ — Suszeptibilitatstensor
⇒ Dielektrizitatskonstante⇒ Brechungsindex⇒ Absorption
Klaus Betzler Optische Materialien 6
UberblickFluoreszenz
Nichtlineare OptikAbschlussarbeiten
MaterialienWorum geht es?Physikalische Beschreibung
Materialtensoren
P = χε0E
χ — Suszeptibilitatstensor
⇒ Dielektrizitatskonstante⇒ Brechungsindex⇒ Absorption
Klaus Betzler Optische Materialien 6
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Nichtlineare OptikAbschlussarbeiten
AbsorptionLumineszenzLebensdauer, Effizienz
Strontium-Barium-Niobat mit Europium
400 450 500 550 6000
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
Wavelength [nm]
Abs
orpt
ion
[cm
−1 ]
π
α
σ
7F0−5G
2
7F0−5L
6
7F1−5L
6
7F0−5D
2
7F0−5D
1 7F1−5D
1 7F0−5D
0
7F1−5D
0
× 5 →
570 580 590 600
π
α
σ
0
5
10
15
20
25
5G25L
65D3
5D2
5D1
5D0
7F67F57F47F37F27F17F0
Ene
rgy
[103 c
m−
1 ]
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AbsorptionLumineszenzLebensdauer, Effizienz
Strontium-Barium-Niobat mit Europium
Inte
nsity
[a.
u.]
580 600 620 640 660 680 700 720 740 760Wavelength [nm]
5D0→7F
5,7F
6
5D0→7F
4
5D0→7F
3
5D0→7F
25D
0→7F
15D
0→7F
0
π−Polarisation
α−Polarisation
σ−Polarisation
0
5
10
15
20
25
5G25L
65D3
5D2
5D1
5D0
7F67F57F47F37F27F17F0
Ene
rgy
[103 c
m−
1 ]
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AbsorptionLumineszenzLebensdauer, Effizienz
Strontium-Barium-Niobat mit Europium
280 300 320 340 360 380 400
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Temperature [K]
Life
time
[ms]
0.12 % Eu0.73 % Eu0.98 % Eu1.46 % Eu
0 1 2 3 4
Time [ms]
Inte
nsity
[a.
u.]
0
5
10
15
20
25
5G25L
65D3
5D2
5D1
5D0
7F67F57F47F37F27F17F0
Ene
rgy
[103 c
m−
1 ]
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Lineare AntwortGrunderfahrung in der Physik (und im Leben):
Wir leben in einer linearen Welt !Mechanik: Doppelte Kraft ⇒ Doppelte BeschleunigungElektrik: Doppelte Spannung ⇒ Doppelter StromMesstechnik vertraut auf Linearitat:
Lange, Gewicht, Intensitat, . . .
Preise verhalten sich linear:Zwei Apfel sind doppelt so teuer wie einer.
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Lineare AntwortGrunderfahrung in der Physik (und im Leben):
Wir leben in einer linearen Welt !Mechanik: Doppelte Kraft ⇒ Doppelte BeschleunigungElektrik: Doppelte Spannung ⇒ Doppelter StromMesstechnik vertraut auf Linearitat:
Lange, Gewicht, Intensitat, . . .
Preise verhalten sich linear:Zwei Apfel sind doppelt so teuer wie einer.
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Lineare AntwortGrunderfahrung in der Physik (und im Leben):
Wir leben in einer linearen Welt !Mechanik: Doppelte Kraft ⇒ Doppelte BeschleunigungElektrik: Doppelte Spannung ⇒ Doppelter StromMesstechnik vertraut auf Linearitat:
Lange, Gewicht, Intensitat, . . .
Preise verhalten sich linear:Zwei Apfel sind doppelt so teuer wie einer.
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Lineare AntwortGrunderfahrung in der Physik (und im Leben):
Wir leben in einer linearen Welt !Mechanik: Doppelte Kraft ⇒ Doppelte BeschleunigungElektrik: Doppelte Spannung ⇒ Doppelter StromMesstechnik vertraut auf Linearitat:
Lange, Gewicht, Intensitat, . . .
Preise verhalten sich linear:Zwei Apfel sind doppelt so teuer wie einer.
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Lineare AntwortGrunderfahrung in der Physik (und im Leben):
Wir leben in einer linearen Welt !Mechanik: Doppelte Kraft ⇒ Doppelte BeschleunigungElektrik: Doppelte Spannung ⇒ Doppelter StromMesstechnik vertraut auf Linearitat:
Lange, Gewicht, Intensitat, . . .
Preise verhalten sich linear:Zwei Apfel sind doppelt so teuer wie einer.
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Nichtlineare OptikAbschlussarbeiten
Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Lineare AntwortGrunderfahrung in der Physik (und im Leben):
Wir leben in einer linearen Welt !Mechanik: Doppelte Kraft ⇒ Doppelte BeschleunigungElektrik: Doppelte Spannung ⇒ Doppelter StromMesstechnik vertraut auf Linearitat:
Lange, Gewicht, Intensitat, . . .
Preise verhalten sich linear:Zwei Apfel sind doppelt so teuer wie einer.
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Nichtlineare OptikAbschlussarbeiten
Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Lineare AntwortGrunderfahrung in der Physik (und im Leben):
Wir leben in einer linearen Welt !Mechanik: Doppelte Kraft ⇒ Doppelte BeschleunigungElektrik: Doppelte Spannung ⇒ Doppelter StromMesstechnik vertraut auf Linearitat:
Lange, Gewicht, Intensitat, . . .
Preise verhalten sich linear:Zwei Apfel sind doppelt so teuer wie einer.
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Nichtlineare Antwort
Was aber, wenn Sie 100 Apfel kaufen ?Sie bekommen Rabatt.Das ist die Nichtlineare Antwort im taglichen Leben.
Und in der Physik ?
Das Hookesche Gesetz gilt nur eingeschrankt.Bei hohen Intensitaten verzerrt Ihr Verstarker.
Fazit: Linearitat ist immer nur eine Naherung.
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Nichtlineare Antwort
Was aber, wenn Sie 100 Apfel kaufen ?Sie bekommen Rabatt.Das ist die Nichtlineare Antwort im taglichen Leben.
Und in der Physik ?
Das Hookesche Gesetz gilt nur eingeschrankt.Bei hohen Intensitaten verzerrt Ihr Verstarker.
Fazit: Linearitat ist immer nur eine Naherung.
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Nichtlineare Antwort
Was aber, wenn Sie 100 Apfel kaufen ?Sie bekommen Rabatt.Das ist die Nichtlineare Antwort im taglichen Leben.
Und in der Physik ?
Das Hookesche Gesetz gilt nur eingeschrankt.Bei hohen Intensitaten verzerrt Ihr Verstarker.
Fazit: Linearitat ist immer nur eine Naherung.
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Nichtlineare Antwort
Was aber, wenn Sie 100 Apfel kaufen ?Sie bekommen Rabatt.Das ist die Nichtlineare Antwort im taglichen Leben.
Und in der Physik ?
Das Hookesche Gesetz gilt nur eingeschrankt.Bei hohen Intensitaten verzerrt Ihr Verstarker.
Fazit: Linearitat ist immer nur eine Naherung.
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Nichtlineare Antwort
Was aber, wenn Sie 100 Apfel kaufen ?Sie bekommen Rabatt.Das ist die Nichtlineare Antwort im taglichen Leben.
Und in der Physik ?
Das Hookesche Gesetz gilt nur eingeschrankt.Bei hohen Intensitaten verzerrt Ihr Verstarker.
Fazit: Linearitat ist immer nur eine Naherung.
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Nichtlineare Antwort
Was aber, wenn Sie 100 Apfel kaufen ?Sie bekommen Rabatt.Das ist die Nichtlineare Antwort im taglichen Leben.
Und in der Physik ?
Das Hookesche Gesetz gilt nur eingeschrankt.Bei hohen Intensitaten verzerrt Ihr Verstarker.
Fazit: Linearitat ist immer nur eine Naherung.
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Nichtlineare Antwort
Was aber, wenn Sie 100 Apfel kaufen ?Sie bekommen Rabatt.Das ist die Nichtlineare Antwort im taglichen Leben.
Und in der Physik ?
Das Hookesche Gesetz gilt nur eingeschrankt.Bei hohen Intensitaten verzerrt Ihr Verstarker.
Fazit: Linearitat ist immer nur eine Naherung.
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Nichtlineare Antwort
Was aber, wenn Sie 100 Apfel kaufen ?Sie bekommen Rabatt.Das ist die Nichtlineare Antwort im taglichen Leben.
Und in der Physik ?
Das Hookesche Gesetz gilt nur eingeschrankt.Bei hohen Intensitaten verzerrt Ihr Verstarker.
Fazit: Linearitat ist immer nur eine Naherung.
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Lineare und Nichtlineare Antwort in Materialien
Was passiert mit LICHT in MATERIE ?
?
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Lineare und Nichtlineare Antwort in Materialien
Was passiert mit LICHT in MATERIE ?
?
Klaus Betzler Optische Materialien 12
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Lineare und Nichtlineare Antwort in Materialien
LineareAntwort
NichtlineareAntwort
KeineWechselwirkungder Lichtwellen
Wechselwirkungder Lichtwellen
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Lineare und Nichtlineare Antwort in Materialien
LineareAntwort
NichtlineareAntwort
KeineWechselwirkungder Lichtwellen
Wechselwirkungder Lichtwellen
Klaus Betzler Optische Materialien 12
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Nichtlineare OptikAbschlussarbeiten
Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Lineare und Nichtlineare Antwort in Materialien
LineareAntwort
NichtlineareAntwort
KeineWechselwirkungder Lichtwellen
Wechselwirkungder Lichtwellen
Klaus Betzler Optische Materialien 12
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Lineare und Nichtlineare Antwort in Materialien
LineareAntwort
NichtlineareAntwort
KeineWechselwirkungder Lichtwellen
Wechselwirkungder Lichtwellen
Klaus Betzler Optische Materialien 12
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Lineare und Nichtlineare Antwort in Materialien
LineareAntwort
NichtlineareAntwort
KeineWechselwirkungder Lichtwellen
Wechselwirkungder Lichtwellen
Klaus Betzler Optische Materialien 12
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Lineare und Nichtlineare Antwort in Materialien
LineareAntwort
NichtlineareAntwort
KeineWechselwirkungder Lichtwellen
Wechselwirkungder Lichtwellen
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Nanodomanen in Strontium-Barium-Niobat (SBN)
Arthur-R. Tunyagi, Michael Ulex, Klaus Betzler: Noncollinear optical frequency doubling in Strontium BariumNiobate, Physical Review Letters 90:243901 (2003)
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Nanodomanenstruktur in SBN
AFM-Bild im Ortsraum
Crystal position x [nm]
Cry
stal
pos
ition
y [
nm]
0 200 400 6000
100
200
300
400
500
600
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Nanodomanenstruktur in SBN
AFM-Bild im Ortsraum Transformation in den k-Raum
Crystal position x [nm]
Cry
stal
pos
ition
y [
nm]
0 200 400 6000
100
200
300
400
500
600
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Nichtlineare OptikAbschlussarbeiten
Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Nanodomanenstruktur in SBN
AFM-Bild im Ortsraum Transformation in den k-Raum
Crystal position x [nm]
Cry
stal
pos
ition
y [
nm]
0 200 400 6000
100
200
300
400
500
600
k−vector component kx [µm−1]
k−ve
ctor
com
pone
nt k
y [
µm−
1 ]
−500 0 500
−500
0
500
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Nanodomanenstruktur in SBN
AFM-Bild im Ortsraum Transformation in den k-Raum
Crystal position x [nm]
Cry
stal
pos
ition
y [
nm]
0 200 400 6000
100
200
300
400
500
600
k−vector component kx [µm−1]
k−ve
ctor
com
pone
nt k
y [
µm−
1 ]
−500 0 500
−500
0
500
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Nanodomanenstruktur in SBN
AFM-Bild im Ortsraum Transformation in den k-Raum
Crystal position x [nm]
Cry
stal
pos
ition
y [
nm]
0 200 400 6000
100
200
300
400
500
600
k−vector component kx [µm−1]
k−ve
ctor
com
pone
nt k
y [
µm−
1 ]
−50 0 50−60
−40
−20
0
20
40
60
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Impulsvektordiagramm: Σ k = 2 k1 + kg − k2 = 0
k1
k1
α
β
k2
k2
kg
kg
c
2 k1 cos α = k2 cos β =⇒ n1(α) cos α = n2(β) cos β
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Radial polarisiertes Licht
1 Laser
2 SBN-Kristall
3 Nichtkollineares SHG-Licht
4 Kollimations-Optik
5 Zylindrischer Parallelstrahl
6 mit radialer Polarisation
Arthur-R. Tunyagi, Klaus Betzler: Lichtquelle fur radial polarisiertes Licht,Patent Nr. 102004013284, Deutsches Patent- und Markenamt 21.10.2004.
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Experimenteller Aufbau k-Raum-Spektroskopie
�
Heater fixed PM
PM
Nd:YAG SBN
c
SHG
IR Laser
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Linear – NichtlinearNichtkollineare FrequenzverdopplungAnwendung: Licht mit zylindrischer PolarisationAnwendung: k-Raum-Spektroskopie
Messergebnisse
Uwe Voelker, Klaus Betzler: Domain morphology from k-space spectroscopy of ferroelectric crystals,Physical Review B 74:132104 (2006)
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Aktuelle Abschlussarbeiten
Urs Heine (Promotionsarbeit):
k-Raum-Spektroskopie am Relaxor-FerroelektrikumCalcium-Barium-Niobat
Alexander Niemer (Promotionsarbeit):
Nichtlineare Lumineszenzanregungsprozesse inStrontium-Barium-Niobat
Kai Dinges (Diplomarbeit):
Nichtkollineare Frequenzverdopplung an reinem unddotiertem Strontium-Barium-Niobat
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