Electromagnetic coupling and waveguiding in Metamaterials studied by Terahertz Near-Field Microscopy

• Applicant: Privatdozent Dr. Markus Walther
• Subject Area: Experimental Condensed Matter Physics ; Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
• Term: from 2013 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 233032640

• Final Report Year: 2016

Final Report Abstract

Im Rahmen des Projekts wurden die Auswirkungen der elektrischen und magnetischen Kopplung zwischen den Substrukturen in Metamaterialoberflächen untersucht. Bei geeigneter Wahl der Strukturen und deren Anordnung zueinander können Fano-Resonanzen angeregt werden, deren spektrales Profil sich etwa durch den Abstand zueinander, und damit durch die Stärke der Kopplung, kontrolliert beeinflussen lässt. Diese Fano- Resonanzen wurden in Arrays von gestapelten Split-Ring-Resonatoren (SRRs) und von Asymmetrischen Split-Ringen (ASRs) mit Hilfe der THz-Nahfeldmikroskopie untersucht. Aufgrund der starken Kopplung ist es möglich kollektive Moden in der Metamaterialoberfläche anzuregen, wodurch neue Funktionalitäten erreicht werden können. Als Beispiel konnten wir eine wellenvektor-selektive Oberfläche bestehend aus periodisch angeordneten ASR-Strukturen demonstrieren. Diese Oberflächen repräsentieren neuartige optische Komponenten mit ungewöhnlichen optischen Eigenschaften. Die Wellenleitung in Metamaterialien wurde von uns in neuartigen Metamaterial(MM)-Fasern untersucht. Mit diesen aus regelmäßig angeordneten homogenen Mikrodrähten bestehenden „Draht-Medien“ (wire media) können räumliche Feldverteilungen nahezu verzerrungsfrei übertragen werden. Insbesondere werden auch evaneszente Felder propagiert, die sich in herkömmlichen Dielektrika nicht ausbreiten können, jedoch die wichtigen Informationen über subwellenlängen-große räumliche Details beinhalten. Dadurch wird eine nahezu „perfekte“ Bildgebung über Distanzen von vielen Wellenlängen möglich. Potenzielle Anwendungen zur endoskopischen Bildgebung bei THz-Frequenzen und möglicher Weise auch bei noch höheren Frequenzen bis in das nahe Infrarot sind denkbar. Zur kontrollierten Erfassung der THz-Felder und deren räumliche Strukturen wurde ein bestehendes THz-Nahfeldmikroskopie-System weiter optimiert und angepasst zur Untersuchung von propagierenden Feldverteilungen im Raum, sowie von Feldern am Ende von wellenleitenden Fasern, wodurch im Rahmen dieser Projekte eine hochwertige Messumgebung entstand.

Publications

• "Metamaterial fibres for subdiffraction imaging and focusing at terahertz frequencies over optically long distances", Nature Comm., 4, 2706 (2013)
  A. Tuniz, K. Kaltenecker, B.M. Fischer, M. Walther, S.C. Fleming, A. Argyros, and B. Kuhlmey
  
• ”Fano line shape and phase reversal in a split-ring resonator based metamaterial”, Physical Review B 88, 195118 (2013)
  J. Wallauer and M. Walther
  
• "Wavevector Selective Metasurfaces and Tunnel Vision Filters", Nature | Light: Science & Applications, 4, e306 (2015)
  V.A. Fedotov, J. Wallauer, M. Walther, M. Perino, N. Papasimakis, and N. I. Zheludev
  
• "Gouy phase shift of a tightly focussed radially polarized beam", Optica, 3(1), 35-41 (2016)
  K.J. Kaltenecker, J.C. König-Otto, M. Mittendorff, S. Winnerl, H. Schneider, M. Helm, H. Helm, M. Walther, and B.M. Fischer
  
• „Ultrabroadband perfect imaging in terahertz wire media using single-cycle pulses“. Optica Vol. 3, Issue 5, pp. 458-464 (2016)
  K.J. Kaltenecker, M. Walther, A. Tuniz, S.C. Fleming, A. Argyros, B.T. Kuhlmey, and B.M. Fischer