Topologische Phasenkontrolle nichtlinear-optischer Prozesse an Metaoberflächen

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Zentgraf
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 271596654

Nanostrukturierte Oberflächen für optische Anwendungen haben seit kurzem viel Interesse geweckt, da sie ein großes Potenzial für Anwendungen besitzen und mittels einfacher Herstellungsverfahren realisiert werden können. In unseren früheren Arbeiten haben wir bereits gezeigt, dass nanostrukturierte Oberflächen, sogenannte Meta-Oberflächen, eine topologische (Berry) Phase für zirkular polarisiertes Licht erzeugen können, welche nur von der Orientierung der Einheitszellen abhängt. Da diese topologische Phase während des Design-Prozesses gezielt gewählt werden kann und sich nur in eine Rotation der Struktur übersetzt, können beliebige Funktionalitäten wie Linsen, Strahlformer oder sogar Hologramme durch eine einzige Oberfläche erhalten werden. Mit unserem Projekt werden wir dieses Konzept der topologischen Phasen zum ersten Mal auf die nichtlineare Optik und nichtlineare Meta-Oberflächen erweitern. Unser vorgeschlagenes Projekt würde es ermöglichen, die räumliche Phase der nichtlinearen Materialpolarisation nach Belieben zu kontrollieren. Unter anderem planen wir, die nichtlinear-optischen Meta-Oberflächen mit verschiedenen optischen Phasenverteilungen entlang der Oberfläche herzustellen. Hierzu werden wir plasmonische Nanostrukturen einsetzen, die eine starke Licht-Materie-Wechselwirkung erlauben. Eine räumliche Phasenverteilung kann durch eine wohldefinierte Ausrichtung der Einheitszellen in Bezug auf das Laborsystem eingeführt werden. Die Proben werden mittels Elektronenstrahllithographie hergestellt und durch nichtlineare optische Spektroskopie vermessen. Für die nichtlinearen Prozesse werden wir uns auf die Erzeugung der zweiten und dritten Harmonischen von diesen Oberflächen beschränken. Zur Erhöhung der Nichtlinearität werden wir die plasmonischen Strukturen in ein nichtlineares Polymer einbetten. Im Rahmen des Projekts ist zudem geplant, Elementarzellen mit hohem nichtlinearem optischem Dichroismus zu analysieren, da hier zirkular polarisiertes Licht die natürliche Grundlage bildet. Unser Ziel ist die vollständige Kontrolle der nichtlinearen Phase, um somit die Ausbreitungseigenschaften des erzeugten nichtlinearen Licht gezielt zu manipulieren. Bei unseren Experimenten werden wir die Ausbreitungseigenschaften durch Messungen der Strahlrichtung und -profil in Abhängigkeit von der eingebrachten Phase analysieren. Eine flexible geometrische Phasenmanipulation würde hier erstmals das Design von Materialien mit wohl definierten nichtlinear-optischen Eigenschaften ermöglichen. Zum Beispiel könnte eine perfekte Phasenanpassungsbedingung für nichtlineare Prozesse in isotropen Materialien realisiert werden. Dies wäre im traditionellen Rahmen der nichtlinearen Optik unmöglich zu erreichen. Das Konzept der topologischen Phase ist von Natur aus dispersionslos und sollte daher robust über einen weiten Wellenlängenbereich funktionieren. Wir erwarten, dass unsere Untersuchungen ein neues Forschungsfeld beim Design nichtlinear-optischer Elemente eröffnet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen