05.06.2023

Höhere Harmonische per Fanoeffekt

Nanostrukturierte Metaoberflächen erzeugen dritte Harmonische mit hoher Effizienz.

Natürliche und künstliche Kristalle können die spektrale Farbe von Licht verändern – ein nicht­linearer optischer Effekt. Die Farbkonversion wird in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, etwa bei der nichtlinearen Mikroskopie biologischer Strukturen und Material­untersuchungen, bei LED-Lichtquellen und Lasern, in der optischen Kommunikation sowie in der Photonik und darauf basierenden Technologien wie Quanten­computern. Wissenschaftler der Universität Paderborn haben jetzt einen Weg gefunden, wie der zugrunde­liegende physikalische Prozess hinter dem Phänomen verbessert werden kann.

 

Abb.: Raster­elektronen­mikroskopische Aufnahme der Silizium-Antennen (Bild:...
Abb.: Raster­elektronen­mikroskopische Aufnahme der Silizium-Antennen (Bild: D. Hähnel et al., U. Paderborn / Springer Nature)

„Der Prozess beruht auf anharmonischen Potentialen der Kristall­atome und führt häufig zu einer exakten Vervielfachung der Licht­frequenz, bei der von der Erzeugung ‚höherer Harmonischer‘ die Rede ist – das ist etwa vergleichbar mit den Obertönen bei der Schwingung einer Saite eines Instrumentes“, erklärt der Paderborner Cedrik Meier. Obwohl der Effekt in vielen Kristallen auf natürliche Weise auftritt, ist er meist äußerst schwach. Daher gibt es zahlreiche Ansätze, den Effekt zu verstärken, beispielsweise durch die Kombination verschiedener Materialien und deren Strukturierung auf Mikro- und Nanoskalen. Die Universität Paderborn hat in diesem Bereich in den vergangenen Jahrzehnten intensiv und erfolgreich geforscht.

Ein Schwerpunkt dieser Forschung in der Photonik sind Metamaterialien und insbesondere Metaoberflächen. Hierbei werden strukturierte Elemente im Nanometerbereich auf ein dünnes Trägermaterial aufgebracht, mit denen eingestrahltes Licht interagiert und beispielsweise optische Resonanzen ausbildet. Durch eine längere Verweildauer und Fokussierung kann das Licht effizienter höhere Harmonische erzeugen.

In einer interdisziplinären Zusammenarbeit haben die Forschungsgruppen von Cedrik Meier (Nano­photonik & Nano­materialien), Thomas Zentgraf (Ultra­schnelle Nano­photonik) und Jens Förstner (Theoretische Elektro­technik) an der Universität Paderborn im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (Transregio) 142 „Tailored Nonlinear Photonics“ einen innovativen Ansatz entwickelt, um höhere Harmonische effizienter zu erzeugen. Durch den Einsatz speziell dimensionierter Anordnungen mikroskopisch kleiner elliptischer Zylinder aus Silizium konnten sie den Fanoeffekt nutzen – einen besonderen physikalischen Mechanismus, bei dem mehrere Resonanzen einander verstärken.

Die Wissenschaftler ermittelten zunächst die optimalen Geometrie­parameter mittels numerischer Simulationen und untersuchten die zugrunde­liegende Physik. Anschließend stellten sie die Nanostrukturen mit modernsten Lithografie­verfahren her und führten optische Untersuchungen durch. Sowohl theoretisch als auch experimentell konnte nachgewiesen werden, dass die Erzeugung der dritten Harmonischen – also Licht mit der dreifachen Frequenz des eingestrahlten Lichts – im Vergleich zu bisher bekannten Strukturen dieser Art besonders effizient erfolgen kann.

U. Paderborn / DE

 

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