Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Hocheffiziente nichtlineare Metamaterialien für die Laser-Technik: Eine Million mal besser

03.07.2014

Trotz aller Fortschritte gibt es noch immer nicht für alle gewünschten Frequenzen geeignete Laser-Systeme.

Manche dieser Frequenzen kann man mit Frequenzverdopplern erzeugen, die nichtlineare optische Eigenschaften nutzen. Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) und der University of Texas (Austin, USA) haben nun einen optischen Baustein entwickelt, dessen nur 400 Nanometer dicke Schicht, 100-mal dünner als ein menschliches Haar, verschiedenste Frequenzen verdoppeln kann und eine Million mal effizienter ist als traditionelle Materialien mit nichtlinearen optischen Eigenschaften.


Ein nur 400 Nanometer dicker, nichtlinearer Spiegel aus knapp 100 Halbleiterschichten verdoppelt die Frequenz des eingestrahlten Lichts. Grafik: University of Texas, Austin

Laser haben sich für viele Anwendungen fest etabliert. Doch noch immer gibt es Wellenlängen, für die es keine oder nur sehr große und teure Systeme gibt. Andererseits werden für die Sensorik und für medizinische Anwendungen kompakte Lasersysteme gesucht, beispielsweise für Wellenlängen vom nahen Infrarot bis in die Terahertz-Region.

Forscher der Technischen Universität München und der University of Texas in Austin (USA) haben nun einen nur 400 Nanometer dicken nichtlinearen Spiegel entwickelt, der die Frequenz des eingestrahlten Lichts verdoppelt. Dafür reicht eine Eingangslichtintensität wie die eines Laserpointers. Gemessen an der Eingangsintensität und der Strukturdicke sind die neuen optischen Bausteine etwa eine Million mal effizienter als die besten herkömmlichen nichtlinearen Materialien.

Während beim Einsatz konventioneller Materialien mit nichtlinearen optischen Eigenschaften die Phasengeschwindigkeiten der Eingangs- und Ausgangswellen genau abgestimmt werden müssen, entfällt diese Einschränkung bei dem neuen Material. Seine Gesamtdicke ist deutlich kürzer ist als die Wellenlänge.

Das Supersandwich

Das Wundermaterial der Physiker besteht aus einer Abfolge dünner Schichten aus Indium, Gallium und Arsen einerseits und Aluminium, Indium und Arsen andererseits. Knapp 100 dieser Schichten, jede zwischen einem und zwölf Nanometer dick, stapeln sie übereinander.

Auf der Oberfläche befindet sich ein Muster aus asymmetrischen, kreuzartigen Strukturen aus Gold, auf der Unterseite eine durchgängige Goldschicht. Mit der Schichtdicke und der Oberflächenstruktur besitzen die Forscher zwei Stellschrauben, mit denen sie die Struktur auf die jeweilige Wellenlänge präzise maßschneidern können.

Licht mit 8000 Nanometern Wellenlänge verwandelt das Material in Licht mit 4000 Nanometern Wellenlänge. „Mit Laserlicht in diesem Frequenzbereich lassen sich beispielsweise Gassensoren für die Umwelttechnik bauen“, sagt Frederic Demmerle, Mitarbeiter des Projekts am Walter Schotty Institut der TU München.

Kleiner als die Wellenlänge

Die Fähigkeit, die Frequenz eines Lichtstrahls zu verdoppeln, beruht auf den speziellen elektronischen Eigenschaften des Materials. Weil die Halbleiterschichten nur wenige Nanometer dick sind, können die von den elektromagnetischen Schwingungen des Lichts angeregten Elektronen nur noch ganz bestimmte Zustände einnehmen.

„Eine solche Struktur nennen wir gekoppelte Quantentöpfe“, sagt Frederic Demmerle. „Indem wir nun in einem exakt definierten Abstand eine weitere dünne Schicht folgen lassen, können wir diese Zustände zusammenschieben oder auseinander ziehen und damit genau auf die gewünschte Wellenlänge einstellen.“

Einen wichtigen Anteil an der hohen Effizienz des Bausteins hat das von den Forschern an der University of Texas unter der Leitung der Professoren Michail Belkin und Andrea Alu entwickelte Muster aus asymmetrischen, kreuzförmigen Goldstrukturen. Das Design dieser Strukturen können die Forscher optimal auf maximale Resonanz mit den Ein- und Ausgangsfrequenzen abstimmen.

Die Muster sind zwar wesentlich kleiner als die Wellenlänge des Lichtes, doch die regelmäßige metallische Struktur sorgt dafür, dass das Licht in das Material einkoppelt. Ihre besondere Form führt dazu, dass es an bestimmten Stellen starke Feldüberhöhungen gibt, die die Einkopplung noch verstärken. „Es ist diese spezifische Kombination von Halbleitermaterial und Gold-Nanostrukturen, die die extrem große nichtlineare Reaktion produziert“ sagt Frederic Demmerle.

Terahertz-Strahlung

In Zukunft wollen die Physiker nach diesem Muster weitere Materialien für andere nicht-lineare Effekte entwickeln. „Denkbar ist neben der Frequenzverdopplung auch die Frequenzhalbierung sowie die Erzeugung von Summen- oder Differenzfrequenzen“, sagt Jongwon Lee, Forscher an der University of Texas und Erstautor der Publikation. „Mit solchen Bausteinen ließe sich dann beispielsweise Terahertz-Strahlung erzeugen und detektieren. Auf diese Strahlung setzt die Medizin, weil sie biologisches Gewebe nicht schädigt.“

„Indem sie außergewöhnliche elektromagnetische Wechselwirkungen und die Quantenphysik von Metamaterialien miteinander verknüpft, eröffnet diese Arbeit ein völlig neues Forschungsfeld im Bereich der nichtlinearen Optik“, sagt Professorin Andrea Alu.

„Weil sie nicht mehr dem Zwang zur Anpassung der Phasengeschwindigkeit unterliegen, eröffnen die in dieser Arbeit entwickelten ultradünnen nichtlinearen optischen Elementen neue Wege zu effizienten Bausteinen für die Frequenzkonversion“, sagt Professor Mikhail Belkin.

Die Arbeit der Forschungsgruppe der University of Texas wurde gefördert von der National Science Foundation der USA, der US Air Force (Office of Scientific Research), des US Office of Naval Research. Die Arbeiten im Walter Schottky Institut wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen der Exzellenzinitiative (Cluster of Excellence Nanosystems Initiative Munich, NIM) gefördert.

Publikation
Giant nonlinear response from plasmonic metasurfaces coupled to intersubband transitions
Jongwon Lee, Mykhailo Tymchenko, Christos Argyropoulos, Pai-Yen Chen, Feng Lu, Frederic Demmerle, Gerhard Boehm, Markus-Christian Amann, Andrea Alù, and Mikhail A. Belkin, Nature, 03.07.2014, DOI: 10.1038/nature13455

Kontakt:
Prof. Dr. Markus C. Amann
Technische Universität München
Walter Schottky Institut
Am Coulombwall 4, 85748 Garching, Germany
Tel.: +49 89 289 11580 – E-Mail: markus-christian.amann@tum.de
Internet: http://www.wsi.tum.de

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Quantenverschränkung auf den Kopf gestellt
22.05.2018 | Universität Innsbruck

nachricht Kosmische Ravioli und Spätzle
22.05.2018 | Universität Bern

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Vielseitige Nanokugeln: Forscher bauen künstliche Zellkompartimente als molekulare Werkstatt

Wie verleiht man Zellen neue Eigenschaften ohne ihren Stoffwechsel zu behindern? Ein Team der Technischen Universität München (TUM) und des Helmholtz Zentrums München veränderte Säugetierzellen so, dass sie künstliche Kompartimente bildeten, in denen räumlich abgesondert Reaktionen ablaufen konnten. Diese machten die Zellen tief im Gewebe sichtbar und mittels magnetischer Felder manipulierbar.

Prof. Gil Westmeyer, Professor für Molekulare Bildgebung an der TUM und Leiter einer Forschungsgruppe am Helmholtz Zentrum München, und sein Team haben dies...

Im Focus: LZH showcases laser material processing of tomorrow at the LASYS 2018

At the LASYS 2018, from June 5th to 7th, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) will be showcasing processes for the laser material processing of tomorrow in hall 4 at stand 4E75. With blown bomb shells the LZH will present first results of a research project on civil security.

At this year's LASYS, the LZH will exhibit light-based processes such as cutting, welding, ablation and structuring as well as additive manufacturing for...

Im Focus: Kosmische Ravioli und Spätzle

Die inneren Monde des Saturns sehen aus wie riesige Ravioli und Spätzle. Das enthüllten Bilder der Raumsonde Cassini. Nun konnten Forscher der Universität Bern erstmals zeigen, wie diese Monde entstanden sind. Die eigenartigen Formen sind eine natürliche Folge von Zusammenstössen zwischen kleinen Monden ähnlicher Grösse, wie Computersimulationen demonstrieren.

Als Martin Rubin, Astrophysiker an der Universität Bern, die Bilder der Saturnmonde Pan und Atlas im Internet sah, war er verblüfft. Die Nahaufnahmen der...

Im Focus: Self-illuminating pixels for a new display generation

There are videos on the internet that can make one marvel at technology. For example, a smartphone is casually bent around the arm or a thin-film display is rolled in all directions and with almost every diameter. From the user's point of view, this looks fantastic. From a professional point of view, however, the question arises: Is that already possible?

At Display Week 2018, scientists from the Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research IAP will be demonstrating today’s technological possibilities and...

Im Focus: Raumschrott im Fokus

Das Astronomische Institut der Universität Bern (AIUB) hat sein Observatorium in Zimmerwald um zwei zusätzliche Kuppelbauten erweitert sowie eine Kuppel erneuert. Damit stehen nun sechs vollautomatisierte Teleskope zur Himmelsüberwachung zur Verfügung – insbesondere zur Detektion und Katalogisierung von Raumschrott. Unter dem Namen «Swiss Optical Ground Station and Geodynamics Observatory» erhält die Forschungsstation damit eine noch grössere internationale Bedeutung.

Am Nachmittag des 10. Februars 2009 stiess über Sibirien in einer Höhe von rund 800 Kilometern der aktive Telefoniesatellit Iridium 33 mit dem ausgedienten...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungen

„Data Science“ – Theorie und Anwendung: Internationale Tagung unter Leitung der Uni Paderborn

18.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Vielseitige Nanokugeln: Forscher bauen künstliche Zellkompartimente als molekulare Werkstatt

22.05.2018 | Biowissenschaften Chemie

Mikroskopie der Zukunft

22.05.2018 | Medizintechnik

Designerzellen: Künstliches Enzym kann Genschalter betätigen

22.05.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics