08 Fakultät Mathematik und Physik
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Item Open Access Tailored nanocomposites for 3D printed micro-optics(2020) Weber, Ksenia; Werdehausen, Daniel; König, Peter; Thiele, Simon; Schmid, Michael; Decker, Manuel; Oliveira, Peter William de; Herkommer, Alois; Giessen, HaraldItem Open Access Perturbation and manipulation of leaky modes in photonic crystal fibers(2020) Upendar, Swaathi; Weiss, Thomas (Apl. Prof. Dr.)Optical fibers guide light in a central core surrounded by a cladding. The most common fibers are step-index fibers, which guide light using total internal reflection in the fiber core. Recently, a new class of fibers, with a microstructured cladding, which also include photonic crystal fibers have been developed. The photonic crystal fibers have a periodic refractive index profile in the cladding and guide light using a bandgap effect or modified total internal reflection. Photonic crystal fibers promise to surpass the guiding properties of the traditional step-index fiber and are being studied extensively. However, these new fibers support leaky modes in contrast to the perfectly guided or bound modes of the conventional step-index fiber. Leaky modes are solutions to Maxwell’s equations that radiate energy in the transverse direction of the fiber. This energy leakage leads to growing fields in the homogeneous exterior. Due to these growing fields in the exterior, the normalization of leaky modes has been a long standing challenge. The normalization for bound modes, which have exponentially decaying fields as we move away from the fiber core, is achieved using an integral of the time-averaged Poynting vector over the xy plane. However, this expression diverges for the case of leaky modes. In this thesis, we derive a general analytical normalization for leaky and bound modes in fiber structures that is independent of the region of integration as long as it encloses all spatial inhomogeneities. Using this analytical normalization, which is an essential factor in any perturbation theory, we develop perturbation theories for interior and exterior perturbations in fiber geometries supporting leaky modes. The perturbations are considered to be changes in the permittivity and permeability tensors of the fiber, which also extend to the axial, i.e., the translationally invariant direction. We formulate the exterior perturbation theory to also treat wavelength as a perturbation. This is highly useful to obtain important fiber quantites such as group velocity as a simple post processing step instead of repeatedly solving Maxwell’s equations for different wavelengths. We demonstrate the accuracy of both perturbation theories on analytically solvable capillary fibers and the more complicated photonic crystal fibers. We also demonstrate the usefulness of a perturbation theory in studying disorder, which involves averaging over many realizations. Furthermore, we present a theoretical study of a novel design to reduce the confinement loss of the fundamental core mode in photonic bandgap fibers with high index strands. This is done by modifying the radius of specific strands, which we call “corner strands”, in the core surround. We demonstrate the usefulness of the analytical normalization in optimizing the fiber design by providing a physically meaningful way of comparing field confinement for different fiber structures. As fundamental working principle, we show that varying the radius of the corner strands leads to backscattering of light back to the core. By using an optimal radius for these corner strands in each transmission window, the losses are decreased by orders of magnitude in comparison to the unmodified cladding structure. We do a parametric analysis of this phenomenon by varying different structural properties such as radius, pitch and the radius-to-pitch ratios to find the optimal design. Thus, we generalize the previously studied case of missing corner strands which only works for certain radius-to-pitch ratios in the first bandgap. This design can be adapted to any photonic bandgap fiber including hollow core photonic crystal fibers and light cage structures.Item Open Access Mass-producible micro-optical elements by injection compression molding and focused ion beam structured titanium molding tools(2020) Ristok, Simon; Roeder, Marcel; Thiele, Simon; Hentschel, Mario; Guenther, Thomas; Zimmermann, André; Herkommer, Alois; Giessen, HaraldItem Open Access Imaging microspectroscopy of functional nanoplasmonic systems(2020) Sterl, Florian; Giessen, Harald (Prof. Dr.)Item Open Access Nonlinear optics in hybrid plasmon-fiber cavities(2021) Ai, Qi; Giessen, Harald (Prof. Dr.)Item Open Access Generation of terahertz radiation via the transverse thermoelectric effect(2023) Yordanov, Petar; Priessnitz, Tim; Kim, Min‐Jae; Cristiani, Georg; Logvenov, Gennady; Keimer, Bernhard; Kaiser, StefanTerahertz (THz) radiation is a powerful tool with widespread applications ranging from imaging, sensing, and broadband communications to spectroscopy and nonlinear control of materials. Future progress in THz technology depends on the development of efficient, structurally simple THz emitters that can be implemented in advanced miniaturized devices. Here, it is shown how the natural electronic anisotropy of layered conducting transition metal oxides enables the generation of intense terahertz radiation via the transverse thermoelectric effect. In thin films grown on off‐cut substrates, femtosecond laser pulses generate ultrafast out‐of‐plane temperature gradients, which in turn launch in‐plane thermoelectric currents, thus allowing efficient emission of the resulting THz field out of the film structure. This scheme is demonstrated in experiments on thin films of the layered metals PdCoO2 and La1.84Sr0.16CuO4, and model calculations that elucidate the influence of the material parameters on the intensity and spectral characteristics of the emitted THz field are presented. Due to its simplicity, the method opens up a promising avenue for the development of highly versatile THz sources and integrable emitter elements.Item Open Access Advanced fabrication strategies for complex micro-optics(2022) Ristok, Simon; Gießen, Harald (Prof. Dr.)Die rasante Weiterentwicklung additiver Fertigungsverfahren und eine anhaltende Tendenz hin zur Miniaturisierung in den verschiedensten Industriezweigen ermöglichen völlig neue Möglichkeiten für die Herstellung von High-Tech Komponenten mit Abmessungen im Millimeter- oder sub-Millimeterbereich. Gerade bei optischen Komponenten konnten durch die Fortschritte in der 3D-Drucktechnik vielfältige neue Anwendungsgebiete erschlossen werden. Unter den verschiedenen Herstellungsverfahren für Oberflächen optischer Güte hat vor allem ein laserbasiertes 3D-Druckverfahren in den letzten Jahren für Aufsehen gesorgt, welches das Prinzip der Zwei-Photonen-Polymerisation nutzt. Dabei wird ein flüssiger, transparenter Fotolack durch einen fokussierten Laserstrahl mit sub-Mikrometer Auflösung lokal ausgehärtet. Durch die gezielte Verschiebung des Fokus im Fotolack können nahezu beliebige 3D-Strukturen hergestellt werden. Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung und Optimierung verschiedener Aspekte der Zwei-Photonen-Polymerisation für die Herstellung von optischen Elementen. Hierbei kam ein kommerziell erhältliches 3D-Drucksystem zum Einsatz. Damit war es zunächst nicht ohne Weiteres möglich, Optiken mit Durchmessern > 500 μm zu fertigen. Dieser Größenbereich ist interessant, da hier Kombinationen mit anderen Bauteilen ähnlicher Größe möglich werden, z.B. mit kleinen Kamerachips für optische Sensoren oder mit Bildleitfasern für die Nutzung in der Endoskopie. Der 3D-Druck von Linsen mit bis zu 2mm Durchmesser wird ermöglicht, indem der bestehenden 3D-Drucker um neue optischen Komponenten und ein neues Material erweitert wird. Ein weiteres wichtiges Thema war die Formtreue der gedruckten Optiken. Zwar ist es mit 3D-Druck problemlos möglich, komplizierte Oberflächen wie z.B. Asphären oder nicht-rotationssymmetrische Geometrien herzustellen, aber durch das Schrumpfen des Linsenmaterials kommt es zwangsläufig zu Abweichungen von der Soll-Form. Durch ein iteratives Optimierungsverfahren können Abweichungen < 1 μm erreicht werden. Zweilinsige Abbildungssysteme mit ~500 μm Durchmesser, die auf diese Weise optimiert wurden, besitzen eine hervorragende Abbildungsqualität. Solche Linsensysteme können ebenfalls direkt auf Kamerachips und Glasfasern gedruckt werden, was viele neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet. Um das Drucksystem effizient zu nutzen wurde weiterhin untersucht, wie die Prozesszeit verringert werden kann. Dies ist mit einer neuartigen Druckstrategie möglich, die eine um 25% kürzere Druckdauer ermöglicht. Ein bewährtes Mittel, um die Leistungsfähigkeit eines optischen Systems zu erhöhen, ist das Hinzufügen weiterer Linsen. Solche Mehrlinsensysteme lassen sich über 3D-Druck in einem einzigen Prozessschritt fertigen, indem die einzelnen Linsen durch ebenfalls gedruckte Abstandshalter miteinander verbunden sind. So wird gleichzeitig der korrekte Abstand zwischen den Linsen und die perfekte Zentrierung auf der optischen Achse gewährleistet. Durch die vielen optischen Grenzflächen entstehen jedoch vermehrt Reflexionen, die einen negativen Einfluss auf die Abbildungsqualität haben können und das transmittierte Licht reduzieren. Deswegen sollte ein Prozess gefunden werden, der die Herstellung von Antireflexbeschichtungen auf 3D-gedruckten Mehrlinsensystemen ermöglicht. Da bei klassischen Beschichtungsverfahren das Material meist aus einer bestimmten Richtung auf die Linsen trifft, können nie alle Oberflächen eines 3D-gedruckten Mehrlinsensystems gleichzeitig beschichtet werden, weil die innenliegenden Flächen nicht getroffen werden. Weiterhin darf die Prozesstemperatur für Polymerlinsen maximal 200 °C betragen. Diese Anforderungen werden durch einen Niedrigtemperaturprozess mit Hilfe von Atomlagenabscheidung erfüllt. Dabei wird die Beschichtung aus der Gasphase heraus aufgebracht. Da die Gasmoleküle problemlos auch die innenliegenden Flächen erreichen, wird die Antireflexbeschichtung gleichzeitig und homogen auf allen Oberflächen des Mehrlinsensystems aufgebracht. Die gezeigten Beschichtungen reduzieren die Reflektivität im sichtbaren Spektralbereich auf maximal 1% und steigern die Transmission durch ein zweilinsiges Abbildungssystem um 20%. Aufgrund der steigenden Nachfrage nach Polymerlinsen, z.B. für Smartphonekameras, sind Verfahren zur Massenfabrikation solcher Optiken ebenfalls von Interesse. Ein Spritzprägewerkzeug aus Titan soll mit einem fokussierten Ionenstrahl direkt strukturiert werden. Spritzprägen ist ein Standardverfahren für die Massenherstellung, bei dem normalerweise Werkzeuge aus Nickel benutzt werden, welche die inverse Geometrie der gewünschten Optik beinhalten. Das harte Titan verspricht im Vergleich zu Nickel eine längere Lebensdauer und damit eine größere Anzahl von Spritzprägevorgängen. Durch das direkte Strukturieren wird ein Inversionsschritt vermieden, was die Fehleranfälligkeit in der Prozesskette reduziert. Für die Optimierung der inversen Geometrie im Titan wurde ein ähnliches Verfahren wie bei den 3D-gedruckten Linsen eingesetzt. Am Beispiel einer durch Spritzprägen gefertigten Fresnel-Linse konnte die gute Abbildungsqualität in Übereinstimmung mit Simulationen gezeigt werden, was die hohe Qualität des hergestellten Titanwerkzeugs bestätigt. Die hier vorgestellten neuartigen Herstellungsprozesse erweitern die Liste der zur Verfügung stehenden Methoden für die Fertigung von Mikrooptiken, können jedoch potentiell auch auf andere Themengebiete übertragen oder mit diesen kombiniert werden. Gerade der 3D-Druck mittels Zwei-Photonen-Polymerisation ist eine sehr vielseitige Fertigungsmethode und wird in vielen verschiedenen Feldern genutzt, z.B. für Mikrofluidik und in biomedizinischen Anwendungen. Die Kombination aus den hier gezeigten 3D-gedruckten Optiken und gedruckten Elementen aus anderen Themengebieten könnte zu neuen, hochintegrierten Komponenten führen und zur Erschließung neuer spannender Forschungsfelder beitragen.Item Open Access Effects of high-power laser radiation on polymers for 3D printing micro-optics(2023) Klein, Sebastian; Ruchka, Pavel; Klumpp, Thomas; Bartels, Nils; Steinle, Tobias; Giessen, HaraldItem Open Access Towards highly efficient single photon detectors for near- and mid-infrared using integrated niobium plasmonics(2023) Karl, Philipp; Giessen, Harald (Prof. Dr.)The creation of highly efficient superconducting single photon detectors (SNSPDs) for the near- and mid-infrared using the plasmonic perfect absorber principle to obtain absorption efficiencies of nearly 100%.Item Open Access Tailored optical functionality by combining electron‐beam and focused gold‐ion beam lithography for solid and inverse coupled plasmonic nanostructures(2020) Hentschel, Mario; Karst, Julian; Giessen, HaraldPlasmonics is a field uniquely driven by advances in micro‐ and nanofabrication. Many design ideas pose significant challenges in their experimental realization and test the limits of modern fabrication techniques. Here, the combination of electron‐beam and gold ion‐beam lithography is introduced as an alternative and highly versatile route for the fabrication of complex and high fidelity plasmonic nanostructures. The capability of this strategy is demonstrated on a selection of planar as well as 3D nanostructures. Large area and extremely accurate structures are presented with little to no defects and errors. These structures exhibit exceptional quality in shape fidelity and alignment precision. The combination of the two techniques makes full use of their complementary capabilities for the realization of complex plasmonic structures with superior optical properties and functionalities as well as ultra‐distinct spectral features which will find wide application in plasmonics, nanooptics, metasurfaces, plasmonic sensing, and similar areas.