Topologische Phasenkontrolle nichtlinear-optischer Prozesse an Metaoberfl?chen
?berblick
Nanostrukturierte Oberfl?chen für optische Anwendungen haben seit kurzem viel Interesse geweckt, da sie ein gro?es Potenzial für Anwendungen besitzen und mittels einfacher Herstellungsverfahren realisiert werden k?nnen. In unseren früheren Arbeiten haben wir bereits gezeigt, dass nanostrukturierte Oberfl?chen, sogenannte Meta-Oberfl?chen, eine topologische (Berry) Phase für zirkular polarisiertes Licht erzeugen k?nnen, welche nur von der Orientierung der Einheitszellen abh?ngt. Da diese topologische Phase w?hrend des Design-Prozesses gezielt gew?hlt werden kann und sich nur in eine Rotation der Struktur übersetzt, k?nnen beliebige Funktionalit?ten wie Linsen, Strahlformer oder sogar Hologramme durch eine einzige Oberfl?che erhalten werden. Mit unserem Projekt werden wir dieses Konzept der topologischen Phasen zum ersten Mal auf die nichtlineare Optik und nichtlineare Meta-Oberfl?chen erweitern. Unser vorgeschlagenes Projekt würde es erm?glichen, die r?umliche Phase der nichtlinearen Materialpolarisation nach Belieben zu kontrollieren. Unter anderem planen wir, die nichtlinear-optischen Meta-Oberfl?chen mit verschiedenen optischen Phasenverteilungen entlang der Oberfl?che herzustellen. Hierzu werden wir plasmonische Nanostrukturen einsetzen, die eine starke Licht-Materie-Wechselwirkung erlauben. Eine r?umliche 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 Oberfl?chen beschr?nken. Zur Erh?hung der Nichtlinearit?t 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 vollst?ndige 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 Abh?ngigkeit von der eingebrachten Phase analysieren. Eine flexible geometrische Phasenmanipulation würde hier erstmals das Design von Materialien mit wohl definierten nichtlinear-optischen Eigenschaften erm?glichen. Zum Beispiel k?nnte eine perfekte Phasenanpassungsbedingung für nichtlineare Prozesse in isotropen Materialien realisiert werden. Dies w?re im traditionellen Rahmen der nichtlinearen Optik unm?glich zu erreichen. Das Konzept der topologischen Phase ist von Natur aus dispersionslos und sollte daher robust über einen weiten Wellenl?ngenbereich funktionieren. Wir erwarten, dass unsere Untersuchungen ein neues Forschungsfeld beim Design nichtlinear-optischer Elemente er?ffnet.
DFG-Verfahren Sachbeihilfen
Key Facts
- Profilbereich:
- Optolelektronik und Photonik
- Art des Projektes:
- Forschung
- Laufzeit:
- 01/2015 - 12/2018
- Gef?rdert durch:
- DFG
- Website:
-
DFG-Datenbank gepris
Detailinformationen
Ergebnisse
Die Durchführung des Projektes war sehr erfolgreich. Wichtige Erkenntnisse im Bereich der Nichtlinearit?ten bei plasmonischen Nanostrukturen und Metaoberfl?chen konnten gesammelt werden. Hierzu z?hlt auch die extreme nichtlineare optische Aktivit?t von planaren plasmonischen Strukturen, die ausschlie?lich durch den nichtlinearen Prozess erzeugt wird und im linear-optischen nicht beobachtet werden kann. Zudem wurden wichtige Erkenntnisse im Bereich der Phasenmanipulation bei nichtlinearen Prozessen gewonnen. So konnte unter anderem ein nichtlineares Hologramm basierend auf der Anordnung von Nanostrukturen realisiert werden. Durch geeignete Wahl des zirkularen Polarisationszustandes konnten verschiedene holografische Bilder in einer Metaoberfl?che gespeichert und rekonstruiert werden. Hieraus ergeben sich m?gliche Anwendungen bei der nichtlinearen Holografie, insbesondere beim Multiplexing von Informationen oder für neue Sicherheitsmerkmale. ?berraschend war unter anderem, dass sich nichtlineare Phasen sehr robust mit unterschiedlichen Geometrien bei den Nanostrukturen einstellen lie?en. Zudem hat sich gezeigt, dass die Verst?rkung des Signals in der Zukunft mehr Berücksichtigung finden muss. Zwar kann aufgrund der optischen Aktivit?t im nichtlinearen auf hohe Kontraste zwischen den verschiedenen Polarisationen zurückgegriffen werden, trotzdem sind die Signale für die Messung noch zu schwach für kommerzielle Anwendungen. Das Projekt lieferte zudem einige neue Ans?tze für weitere Forschungsprojekte im Bereich der nichtlinearen Holografie, die zu einer neuen internationalen Kollaboration mit Prof. Huang am BIT in Peking geführt haben. Giant Nonlinear Optical Activity of Achiral Origin in Planar Metasurfaces with Quadratic and Cubic Nonlinearities. Advanced Materials 28, 2992-2999 (2016) S. Chen, F. Zeuner, M. Weismann, B. Reineke, G. Li, V. K. Valev, K. W. Cheah, N. C. Panoiu, T. Zentgraf, and S. Zhang (365足彩投注_365体育投注@he online unter https://doi.org/10.1002/adma.201505640) Spin and wavelength multiplexed nonlinear metasurface holography. Nature Communications 7, 11930 (2016) W. Ye, F. Zeuner, X. Li, B. Reineke, S. He, C.-W. Qiu, J. Liu, Y. Wang, S. Zhang, and T. Zentgraf (365足彩投注_365体育投注@he online unter https://doi.org/10.1038/ncomms11930) Manipulation of Vector Beam Polarization with Geometric Metasurfaces. Optics Express 25, 14300-14307 (2017) Q. Guo, C. Schlickriede, D. Wang, H. Liu, Y. Xiang, T. Zentgraf, and S. Zhang (365足彩投注_365体育投注@he online unter https://doi.org/10.1364/OE.25.014300) Rotational Doppler shift induced by spin-orbit coupling of light at spinning metasurfaces. Optica 4, 1000-1005 (2017) P. Georgi, C. Schlickriede, G. Li, S. Zhang, and T. Zentgraf (365足彩投注_365体育投注@he online unter https://doi.org/10.1364/OPTICA.4.001000) Volumetric Generation of Optical Vortices with Metasurfaces. ACS Photonics 4, 338-346 (2017) L. Huang, X. Song, B. Reineke, T. Li, X. Li, J. Liu, S. Zhang, Y. Wang, and T. Zentgraf (365足彩投注_365体育投注@he online unter https://doi.org/10.1021/acsphotonics.6b00808) Imaging through nonlinear metalens using second harmonic generation. Advanced Materials 1703843 (2018) C. Schlickriede, N. Waterman, B. Reineke, P. Georgi, G. Li, S. Zhang, and T. Zentgraf (365足彩投注_365体育投注@he online unter https://doi.org/10.1002/adma.201703843)Projektbezogene Publikationen (Auswahl)