Verdrehte Nanostrukturen für konstruktive Interferenz
Neuentwickeltes nichtlineares Material ermöglicht kleinere und effizientere Bauelemente.
Thomas Zentgraf und seiner Arbeitsgruppe an der Universität Paderborn ist es in Zusammenarbeit mit einem Forscherteam der Universität Birmingham in England gelungen, gezielt die nichtlinearen optischen Eigenschaften in einem künstlich strukturierten Material zu verändern. Auf diese Weise lassen sich komplett neue Materialeigenschaften ausbilden, die in natürlich vorkommenden Materialien nicht zu realisieren sind.
„Mit der Entwicklung dieses neuen Konzeptes zur Beeinflussung der nichtlinearen Eigenschaften eines Materials erhoffen wir uns in Zukunft komplexere und auch kleinere optische Bauelemente zu realisieren“, erläutert Thomas Zentgraf. Insbesondere bei der optischen Kommunikationstechnologie und Quantenkommunikation spielen Frequenzumwandlungen häufig eine wichtige Rolle und sind auf eine Hand voll in der Natur vorkommender Materialsysteme beschränkt. „Nun haben wir ein neues Werkzeug in der Hand, um diese Prozesse zu kontrollieren und auch effizienter zu gestalten“, ist sich der Physiker sicher.
Abb.: Auf einer Glasoberfläche ordneten die Forscher Nanostrukturen periodisch an, orientierten jede einzelne jedoch so, dass sich für das nichtlineare Signal eine andere Richtung als für den anregenden Laserstrahl ergibt. So erzeugten sie aus infrarotem Laserlicht blaues Licht mit einer Wellenlänge von ungefähr 400 nm. (Bild: U. Pb.)
Die immer höheren Anforderungen an eine schnelle Datenübertragung und Datenverarbeitung können nur noch durch die Verwendung von Licht erfüllt werden. „In naher Zukunft werden elektronische Bauelemente zunehmend durch optische ersetzt werden. Hier wird die nichtlineare Optik eine wichtige Rolle spielen“, erwartet Zentgraf. Da sich beispielsweise die Ausbreitung von Licht nicht direkt mit anderem Licht beeinflussen lässt, ist immer eine kurzzeitige Wechselwirkung mit einem Material notwendig. Das Material übernimmt dabei eine Art Vermittlerrolle zwischen den zwei Lichtwellen. Aber diese Wechselwirkung ist teilweise nur sehr schwach. Deshalb ist Licht schwierig zu kontrollieren und nichtlineare Effekte nur bei sehr hohen Intensitäten zu beobachten.
Damit nichtlineare Effekte mit einer nennenswerten Effizienz ablaufen, muss das Material bestimmte Eigenschaften besitzen. Unter anderem spielt die Phasengeschwindigkeit des Lichts, also die Geschwindigkeit mit der sich die Welle bei einer bestimmten Frequenz ausbreitet, eine entscheidende Rolle. Hier zeigen alle natürlichen Materialien einen ähnlichen Effekt: Licht unterschiedlicher Frequenzen breitet sich unterschiedlich schnell in einem Material aus. In der Regel läuft blaues Licht langsamer durch ein Stück Glas als rotes Licht. Dies behindert die effiziente Umwandlung von Licht oder die Wechselwirkung von Licht mit anderem Licht. Eine starke Wechselwirkung wäre aber die Voraussetzung für optische Bauelemente, die ganz ohne Elektronik auskommen. Die unterschiedliche Geschwindigkeit führt nun zu einer Verzögerung zwischen den beiden Wellen, was sich wiederum auf die Effizienz der Umwandlung auswirkt. Unter der Voraussetzung einer starken Anregung durch eine Lichtwelle agiert jedes Atom im Material wie eine kleine Quelle für die neuen Frequenzen. Damit es nun zum Aufbau einer deutlichen Intensität kommt, müssen alle diese Quellen konstruktiv überlagert werden. Die kleinen auftretenden Laufzeitunterschiede verhindern dies jedoch.
Die Forscher aus Paderborn und Birmingham entwickelten nun ein Konzept, mit dem sich diese Laufzeitunterschiede in einem Material ausgleichen lassen. Durch eine gezielte Strukturierung des Materials mit kleinen metallischen Strukturen im Bereich von hundert Nanometern können sie lokal eine kleine Verzögerung bei der Erzeugung des neuen Lichts im Material erreichen, sodass es wieder die „richtige“ Lage hat und es durch eine positive Überlagerung zu einer Verstärkung kommt.
Im Labor konnten die Forscher diesen Effekt bereits ausnutzen. Sie modifizierten das Material so, dass das neu erzeugte Licht in eine andere Richtung lief. Für die ursprüngliche einfallende Welle des Lasers ergab sich hingegen keine Änderung der Richtung, was darauf hindeutet, dass sich nur die nichtlinearen Eigenschaften des Materials verändert haben, die linearen Eigenschaften blieben jedoch trotz der Strukturierung gleich. Obwohl in den ersten Versuchen nur die Richtung des neuen Lichts verändert wurde, kann die gleiche Technik auch das Strahlprofil zukünftig gezielt verändern und die Effizienz bei der Umwandlung besser kontrollieren.
U. Pb. / OD
