Nano-Film

Photonische Nano-Filme mit umfassender optischer Funktionalität

Nanofilme als neuartige optische Funktionselemente

Die Geschichte der optischen Innovationen beruht auf Fortschritten, die verschiedene Ebenen der Funktionsweisen optischer und optoelektronischer Komponenten umfassen. Der am einfachsten zu verstehende ist die Präzisionssteigerung bei der Fertigung optischer Komponenten. Entsprechende Weiterentwicklungen optischer Linsen lassen das Grundprinzip – die Brechung von Lichtstrahlen – unverändert, und steigern die Genauigkeit, aber beispielsweise auch die Möglichkeiten zur Gestaltung der Kontur und damit die Anzahl der Nutzungsmöglichkeiten der Linse immer weiter. Daneben besteht die Möglichkeit, das verwendete Material auszutauschen. Glas ist beispielsweise für langwellige Infrarotstrahlung nicht durchlässig, so dass hier alternativ Germanium verwendet werden kann. Bei der Verwendung anderen Materials ist es dabei nicht zwingend Voraussetzung die Gründe dafür zu kennen, warum dieses sich auf eine bestimmte Weise verhält.

Grundlegend neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnen sich, indem man das Licht auf einer physikalisch tieferen Ebene beeinflusst, als sich dies in der Beschreibung durch Lichtstrahlen realisieren lässt. So beruht die diffraktive Optik darauf, die Wellennatur des Lichts zu nutzen und es durch Interferenz an strukturierten Elementen in einer Weise zu formen und zu lenken, wie dies mit dem Mittel der Lichtbrechung prinzipbedingt nicht möglich wäre. Man eröffnet sich durch die zusätzliche Beeinflussung dieser fundamentaleren Eigenschaft des Lichts also weitergehende Möglichkeiten zur dessen Beeinflussung und Kontrolle.

Berücksichtigt man zudem, dass Licht aus schnell veränderlichen elektromagnetischen Feldern besteht, dann lassen sich diese Möglichkeiten noch drastisch ausweiten. Insbesondere existiert die Möglichkeit, diese Feldkomponenten in einer noch direkteren Weise zu beeinflussen als nur über Lichtbeugung und Interferenz. Dazu muss man sich jedoch in die Lage versetzen, die Wechselwirkung zwischen Licht und optischer Komponente auf einer Skala zu kontrollieren, die der räumlichen Modulation dieser Felder entspricht. Dies erfordert die Berechnung und Herstellung komplexer funktionaler Strukturen mit Abmessungen von weit unter einem Mikrometer. Sollen die entsprechenden speziellen Eigenschaften dann noch schaltbar sein, so sind zusätzlich Kombinationen mit entsprechenden elektrisch oder optisch sensitiven Materialien erforderlich.

Nanoantennen zur Erzeugung, Lenkung und Detektion von Licht

Nanoantennen sind die mikroskopisch kleinen Elemente, aus denen ein Nano lm aufgebaut ist und die eine hinreichend starke Wechselwirkung mit dem Licht sicherstellen, um es während seines Durchtritts durch den weniger als einen Mikrometer dicken Nano lm in der gewünschten Weise beeinflussen zu können. Um solche hochwirksamen Strukturen tatsächlich herstellen zu können, sind ein tiefes Verständnis ihrer Wirkungsweise, der Materialien aus denen sie bestehen und mit denen sie im Nano lm zusammenwirken, sowie hochpräzise Lithographiemethoden erforderlich.

Im Projekt sollen insgesamt drei verschiedene Demonstratoren gefertigt werden, mit denen die grundsätzliche Eignung des neuen Paradigmas zunächst für die Lenkung und Formung von Lichtfeldern, dann für die Detektion von Licht und schließlich für die Erzeugung von Licht nachgewiesen werden soll. Allen diesen Demonstratoren soll gemein sein, dass sich mit ihnen Effekte zeigen lassen, die mit etablierten Komponenten grundsätzlich nicht realisiert werden können. Die Demonstratoren sollen insbesondere auch eine Abschätzung erlauben, mit welchem zeitlichen und materiellen Aufwand zu rechnen ist, bis diese neuen Wirkungsprinzipien für ein technisches Produkt erschlossen werden können.

Ansprechpartner

Dr.Peter Soldan
+49 211 6214-366

Projektdetails

Koordinator

Dr.Isabelle Staude
Friedrich-Schiller-Universität Jena - Physikalisch-Astronomische Fakultät - Institut für Angewandte Physik
Albert-Einstein-Str. 15, 7745Jena
+49 3641 94-7566

Projektvolumen

1,9 Mio € (Förderquote 100%)

Projektdauer

01.10.2016 - 30.06.2020

Projektpartner

Friedrich-Schiller-Universität Jena - Physikalisch-Astronomische Fakultät - Institut für Angewandte PhysikJena
Humboldt-Universität zu Berlin - Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I - Institut für Physik - Experimentelle Physik - NanooptikBerlin
Humboldt-Universität zu Berlin - Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I - Institut für Physik - Theoretische Optik/PhysikBerlin
Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn - Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät - Physik/Astronomie - Physikalisches Institut - AG NanophotonikBonn
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen - Fakultät 1 - Mathematik - Informatik - Naturwissenschaften - Fachgruppe Physik - I. Physikalisches Institut - Nano-Optik und MetamaterialienAachen