Was uns antreibt

Die Arbeitsgruppe S3 unterstützt die Vision von PhoenixD – die Entwicklung der digitalen Optik der Zukunft - insbesondere durch ihre Forschung zur Miniaturisierung. Zur gezielten Beeinflussung von Licht ist ein Verständnis der Reaktion eines Materials auf atomarer Ebene wichtig. Diese Wechselwirkung soll verändert und optimiert werden, um die Größe von optischen Komponenten und Systemen drastisch zu reduzieren.

Glas als traditioneller Werkstoff für optische Komponenten eignet sich nicht für miniaturisierte Präzisionsoptiken. Viel besser geeignet ist beispielsweise Silizium. Mit Verfahren, die aus der Mikroelektronik sehr gut bekannt und verfügbar sind, lassen sich optische Systeme mit komplexer Funktionalität und höchster Präzision im Nano- und Mikrometermaßstab fertigen. Von großem Vorteil ist zudem die einfache elektrische Anbindung und Ko-Integration von mikroelektronischen Baugruppen.

In dünnen Wellenleitern aus Diamant sind schon nach wenigen Millimetern Wechselwirkungen zu beobachten, die in Glasfasern auf einer Länge von mehreren Kilometern auftreten. Einen weiteren Ansatz zur Miniaturisierung bieten Metamaterialien. Komplexe optische Strukturen und Materialkomposite ermöglichen maßgeschneiderte optische Funktionalitäten, die weit über natürlich verfügbaren Eigenschaften hinausgehen.

Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeitsgruppe ist die Manipulation der optischen Eigenschaften eines Materials durch Licht. Solche volloptischen Ansätze erscheinen vielversprechend für ultraschnelle, präzise und kompakte optische Systeme.

Unsere Forschungsarbeit

Schwerpunkt der Forschung in der Arbeitsgruppe S3 ist die Licht-Materie-Wechselwirkung auf allen Längenskalen von der atomaren bis zur makroskopischen Ebene. Dabei spielen verschiedene physikalische Größen wie Druck, Temperatur, Strom oder Magnetfeld eine Rolle. Die betroffenen Fachgebiete sind insbesondere die Ultrakurzpuls-Optik, die nichtlineare Optik und die Nanophotonik (Abbildung 1).

Zur Erzeugung, Leitung und Manipulation von Licht in miniaturisierten optischen Systemen werden effiziente Rechenmethoden entwickelt. Diese ermöglichen das Design und die Simulation der Systeme auf allen Größenskalen. Darüber hinaus forscht die Arbeitsgruppe an der Simulation laserbasierter Fertigungsverfahren.

Die Simulation zeigt, wie die gegenseitige Anziehung zweier optischer Solitonen zur Bildung eines Solitonenmoleküls führt.

Von besonderer Bedeutung ist die Materialsimulation. Materialien wie Silizium oder Diamant sind optisch hochgradig nichtlinear. Was für die Integration von optischen Bauteilen mit Licht-Licht-Wechselwirkung ein großer Vorteil ist, stellt zugleich sehr hohe Anforderungen an die Optiksimulation. Die Komplexität wird noch dadurch erhöht, dass in Halbleitern wie Silizium neben der Nichtlinearität auch noch die Wechselwirkung des Lichts mit freien Ladungsträgern berücksichtigt werden muss.

Metamaterialien versprechen die Konstruktion von praktisch beliebigen räumlichen Verteilungen des Brechungsindex und anderer optischer Größen, wie sie in natürlichen Materialien undenkbar sind. Auf diese Weise wird Licht in hohem Maße frei manipulierbar. Die Simulation von derartig kleinteiligen Systemen erfordert ganz eigene Lösungsansätze wie die sogenannte „Transformation Optics“.

Techniken des maschinellen Lernens spielen bei der Erforschung der Eigenschaften und der Verbesserung des Designs fortschrittlicher Materialien eine wichtige Rolle. Die Arbeitsgruppe wendet maschinelles Lernen insbesondere für die Bestimmung interatomarer Potenziale an. Dabei soll ein ab-initio-Multiskalenmodell entstehen, dass die quantenmechanische Dichtefunktionaltheorie mit klassischer Moleküldynamik und Finite-Element-Methoden verbindet (Abbildung 2).

Interatomare Potentiale gewonnen durch maschinelles Lernen aus Moleküldynamiksimulationen führen zu einem effizienten ab-initio-Multiskalenmodell zur Beschreibung optischer Materialien.

Materialoberflächen und Grenzflächen sind in besonderer Weise dazu geeignet, Licht zu manipulieren. An der Grenzfläche zwischen einem Metall und einem Dielektrikum können spezielle kombinierte Licht-Strom Schwingungszustände (Oberflächen-Plasmonpolaritonen) angeregt werden. In diesen Zuständen wird Licht in Bereichen konzentriert, die weit kleiner sind als die optische Wellenlänge.

Mit Hilfe von dielektrischen oder metallischen Nanopartikeln können Oberflächen-Plasmonen lokalisiert angeregt werden. Dadurch kann die Empfindlichkeit bestimmter optischer Sensoren um ein Vielfaches gesteigert werden. Mittlerweile werden auch Metaoberflächen mit künstlichen Nanostrukturen hergestellt, die ganz gezielt bestimmte optische Schwingungsmoden selektieren und beeinflussen können (Abbildung 3).

Unsichtbares Teilchen: Eine nanostrukturierte Metaoberfläche führt dazu, dass einfallendes Licht ein Partikel auf der Oberfläche praktisch „umfließt“.

Die Wechselwirkung und die Überlagerung von elektrischen und magnetischen Resonanzen in dielektrischen Partikeln und nanostrukturierten Oberflächen eröffnen ganz neue Wege zur effizienten Steuerung von Licht in Dimensionen unterhalb der Wellenlänge. Dazu werden in der Arbeitsgruppe Konzepte für ultradünne Linsen, Filter, Polarisatoren, Sensoren und andere Komponenten entwickelt und simuliert.

Neben der direkten Beeinflussung des Lichtes über die statischen Eigenschaften optischer Materialien, kann Licht auch indirekt beispielsweise mittels Druck oder Temperatur manipuliert werden. Die Beschreibung des Wechselspiels von thermo-mechanischen und optischen Eigenschaften mittels einer Multi-Physik-Simulation erlaubt zum Beispiel die Modellierung von piezoelektrischen oder flexoelektrischen Materialien aber auch die kontrollierte Manipulation der Lichtausbreitung in dem betreffenden Material.

Die Arbeitsgruppe S3 kooperiert mit der Arbeitsgruppe S2 bei der Simulation optischer Materialien und mit der Arbeitsgruppe M1 bei der Entwicklung neuer optischer Materialien. Wichtig ist auch die Kooperation mit der Arbeitsgruppe M2 insbesondere in Hinblick auf die Lasermaterialbearbeitung. In Zusammenarbeit mit S1 werden optische Funktionalitäten und Komponenten zu optischen Systemen zusammengeführt und S4 unterstützt bei der theoretischen Analyse und multidimensionalen Simulationen.