08 Fakultät Mathematik und Physik
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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 Towards fiber-coupled plasmonic perfect absorber superconducting nanowire photodetectors for the near- and mid-infrared(2023) Mennle, Sandra; Karl, Philipp; Ubl, Monika; Ruchka, Pavel; Weber, Ksenia; Hentschel, Mario; Flad, Philipp; Giessen, HaraldItem Open Access Functional & active plasmonic systems and metasurfaces(2022) Karst, Julian; Giessen, Harald (Prof. Dr.)Funktionelle und aktive plasmonische Nanostrukturen und Metaoberflächen sind das Herzstück von einer Vielzahl an neuartigen optischen Technologien. Sie ermöglichen es Licht auf sehr kleinen Längenskalen zu bündeln und aktiv zu manipulieren. Insbesondere werden sie zur Miniaturisierung von elektro-optischen Bauteilen beitragen, welche für die Realisierung von zukunftsweisenden Technologien in verschiedensten Bereichen vonnöten sind. Hierzu zählen unter anderem Technologien aus den Bereichen virtuelle Realität (VR: engl: virtual reality) und erweiterte Realität (AR: engl: augmented reality), dynamische drei-dimensionale Holografie, miniaturisiertes LiDAR (engl.: Light Detection and Ranging), sowie nano-optische Sensoren für explosive und giftige Gase oder für (händige) chemische Substanzen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit mehreren Ansätzen für funktionelle und aktive plasmonische Systeme und Metaoberflächen. Hierbei analysieren wir insbesondere deren Funktionalitäten als auch die zugrundeliegenden Schaltmechanismen. Wir führen zunächst metallische Polymere für schaltbare plasmonische Systeme ein. Diese Polymere sind zwar seit den 1980er Jahren bekannt, wurden jedoch hauptsächlich für transparente und leitfähige Elektroden verwendet sowie optimiert. Wir zeigen, dass die Nanostrukturierung solcher Polymere es ermöglicht, Nanoantennen mit elektrisch schaltbaren optischen Eigenschaften herzustellen. Deren plasmonische Resonanzen lassen sich hierbei elektrisch ein- oder ausschalten. Unser Konzept basiert auf einem elektrisch-schaltbaren Metall-zu-Isolator-Übergang des Polymers, der durch CMOS-kompatible Spannungen von lediglich ±1 V kontrolliert werden kann. Schaltzeiten erreichen Displayfrequenzen von 33 Hz, was es unseren Nanoantennen ermöglicht, Anwendung in zukünftigen Display-Technologien zu finden. Zudem demonstrieren wir Langzeit-Stabilität über mehrere Hundert Zyklen. Durch gezielte periodische Anordnung unserer metallischen Polymer-Nanoantennen erschaffen wir ultra-dünne Metaoberflächen zur aktiven Laserstrahlablenkung sowie zur aktiv-steuerbaren Lichtfokussierung mit sehr hohem Kontrast. Wir realisieren zudem ein Metaobjektiv aus metallischem Polymer, welches neuartige Funktionalitäten, wie z.B. einen bifokalen Zustand, aufweist. Als Nächstes untersuchen wir aktive plasmonische Systeme auf Basis von wasserstoffsensitiven Metallen. Solche schaltbaren plasmonischen Antennen finden Anwendung in aktiven Metaoberflächen sowie in plasmonischen Wasserstoffsensoren. Häufig verwendete Materialien sind hierbei Palladium, Yttrium, oder Magnesium. Letzteres bietet hierbei den Vorteil, dass es ein exzellenter Wasserstoffspeicher ist. Zudem können die optischen Eigenschaften von plasmonischen Nanoantennen aus Magnesium mit Hilfe von Wasserstoff sehr stark beeinflusst werden. Jedoch sind die damit einhergehenden Schaltzeiten häufig sehr lang und die Degradierung von Magnesium während der Schaltvorgänge sehr hoch. Um die hierbei limitierenden Faktoren herauszufinden, vermessen wir Magnesium während der Hydrogenisierung mittels auf Streuung basierender optischer Rasternahfeldmikroskopie. Hiermit können wir die Wasserstoff-Diffusionsprozesse in Magnesium auf der Nanometer-Skala detailliert untersuchen. Es lässt sich dabei feststellen, dass diese Diffusionsprozesse stark von der polykristallinen Morphologie von Magnesium sowie durch dessen Volumenausdehnung beeinflusst werden. Darüber hinaus zeigen wir, dass nicht nur Wasserstoff in Form von Gas, sondern auch Alkohole in der Lage sind Metalle zu hydrogenisieren. Am Beispiel von Yttrium demonstrieren wir, dass sich die optischen Eigenschaften von plasmonischen Nanoantennen durch deren Eintauchen in Alkohol verändern lassen. Dabei fungieren die Nanoantennen als lokale nanooptische Indikatoren, um diesen flüssigen Hydrogenisierungsprozess optisch zu visualisieren. In verschiedensten Bereichen ist es zudem nötig die optische Aktivität/Chiralität bzw. Händigkeit einer chemischen Substanz zu ermitteln. So entscheidet, z.B., die Händigkeit einer Substanz darüber, ob sie als Medikament eingesetzt werden kann oder giftig für den menschlichen Körper ist. Diese Chiralität kann optisch detektiert und gemessen werden. Hierbei können plasmonische Nanoantennen die Sensitivität entscheidend verbessern. Deshalb analysieren wir zuletzt die spektrale Antwort einzelner chiraler Nanopartikel. Hierzu verwenden wir unsere automatisierte Messmethode, mit welcher sich die chiralen Streuspektren der Einzelpartikel detailliert untersuchen lassen. Dabei zeigen wir, dass die chiralen Einzelpartikelspektren stark von der jeweiligen Morphologie des Partikels abhängen. Unsere untersuchten Partikel weisen im Allgemeinen eine spiralförmige Struktur auf, welche zu einer enormen optischen Aktivität führt. Folglich können diese chiralen plasmonischen Nanopartikel in verschiedensten Sensorplattformen vielversprechende Anwendungen finden. Unter anderem könnte mit deren Verwendung die Sensitivität bzw. Empfindlichkeit von nanooptischen Sensoren für chirale Moleküle bzw. Flüssigkeiten enorm gesteigert werden. In Kombination mit schaltbaren plasmonischen Materialien rücken sogar aktiv steuerbare chirale Sensoren in greifbare Nähe.Item Open Access 3D direct laser writing of highly absorptive photoresist for miniature optical apertures(2022) Schmid, Michael D.; Toulouse, Andrea; Thiele, Simon; Mangold, Simon; Herkommer, Alois; Giessen, HaraldThe importance of 3D direct laser writing as an enabling technology increased rapidly in recent years. Complex micro-optics and optical devices with various functionalities are now feasible. Different possibilities to increase the optical performance are demonstrated, for example, multi-lens objectives, a combination of different photoresists, or diffractive optical elements. It is still challenging to create fitting apertures for these micro optics. In this work, a novel and simple way to create 3D-printed opaque structures with a highly absorptive photoresist is introduced, which can be used to fabricate microscopic apertures increasing the contrast of 3D-printed micro optics and enabling new optical designs. Both hybrid printing by combining clear and opaque resists, as well as printing transparent optical elements and their surrounding opaque apertures solely from a single black resist by using different printing thicknesses are demonstrated.Item Open Access 3D stimulated Raman spectral imaging of water dynamics associated with pectin-glycocalyceal entanglement(2023) Floess, Moritz; Steinle, Tobias; Werner, Florian; Wang, Yunshan; Wagner, Willi Linus; Steinle, Verena; Liu, Betty; Zheng, Yifan; Chen, Zi; Ackermann, Maximilian; Mentzer, Steven J.; Giessen, HaraldItem Open Access Theory of resonant light-matter interactions in nanophotonic sensing(2022) Both, Steffen; Weiss, Thomas (Prof. Dr.)
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