Wechselwirkung mikrostrukturierter metallischer Oberflächen mit elektromagnetischen Feldern im THz-Frequenzbereich

• Applicant: Privatdozent Dr. Markus Walther
• Subject Area: Materials Science
• Term: from 2008 to 2010
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 98713939

Ziel des beantragten Projektes ist die Untersuchung der Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung im Terahertz-Frequenzbereich (ca. 0.1 – 5 THz) mit subwellenlängen großen metallischen Mikrostrukturen mit Hilfe von numerischen Simulationen und vergleichenden Experimenten. Als Simulationsverfahren werden wir eine von uns entwickelte Erweiterung der Finiten-Differenzen Methode in der Zeitdomäne (FDTD) einsetzten, welche durch eine flexibel angepasste Verfeinerung des Diskretisierungsgitters im Bereich der Mikrostrukturen den Skalenunterschied zwischen der optischen Wellenlänge bzw. der Größe der Strukturen und der Eindringtiefe im Metall überbrückt und somit mit bewältigbarem Rechenaufwand die exakte Simulation ermöglicht. Damit soll die für genaue numerische Methoden bisher noch existierende Lücke im Frequenzspektrum geschlossen werden, zwischen dem mittleren infraroten Bereich, wo exakte Simulationsmethoden existieren, und dem Mikrowellenbereich, wo aufgrund des enormen Skalenunterschieds die Metalle in der Regel als perfekte Leiter angenommen werden.Unser numerisches Verfahren wurde bisher für die Simulation der Wechselwirkung mit unstrukturierten Metalloberflächen erfolgreich angewendet und soll nun im Rahmen dieses Projektes für die Untersuchung von metallischen Mikrostrukturen eingesetzt werden. An ausgewählten Strukturen werden Simulationen durchgeführt und diese mit experimentellen Untersuchungen verglichen. Geplant ist unter anderem das Studium der Wellenleitung entlang mikrostrukturierten Oberflächen, die Untersuchung der erhöhten Transmission durch periodische Subwellenlängen-Lochgitter oder der Feldpropagation durch ”Metamaterialien”. Da unser Simulationsverfahren prinzipiell im gesamten Frequenzspektrum angewendet werden kann lässt sich hiermit auch die Übertragbarkeit plasmonen-optischer Effekte im Terahertz-Frequenzbereich hin zu kürzeren Wellenlängen (z.B. nahes Infrarot oder sichtbarer Bereich) untersuchen. Das in dem Arbeitsvorhaben erarbeitete Verständnis könnte zur Entwicklung neuartiger Konzepte der Manipulation optischer Nahfelder mit Hilfe von metallischen Strukturen beitragen.

• DFG Programme: Research Grants