Forscher verbessern die Technologie zur Erzeugung hoher Harmonischer in nichtlinearen nanostrukturierten Metaoberflächen

Natürliche und künstliche Kristalle können die Spektralfarbe des Lichts verändern, was als nichtlinearer optischer Effekt bekannt ist. Die Farbkonvertierung wird für zahlreiche Anwendungen eingesetzt, darunter die nichtlineare Mikroskopie für biologische Strukturen und Materialuntersuchungen, LED-Lichtquellen und Laser in der optischen Kommunikation sowie in der Photonik und den daraus resultierenden Technologien wie dem Quantencomputing. Forscher der Universität Paderborn haben nun einen Weg gefunden, den dem Phänomen zugrunde liegenden physikalischen Prozess zu verbessern. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift veröffentlicht Licht: Wissenschaft und Anwendungen.

„Der Prozess basiert auf dem anharmonischen Potenzial von Kristallatomen und führt oft zu einer präzisen Vervielfachung der Lichtfrequenz, die sogenannte Erzeugung ‚höherer Harmonischer‘ – ähnlich den Obertönen, die man hört, wenn die Saite eines Musikinstruments vibriert“, sagt der Paderborner Physiker Professor Cedrik Meier erklärt.

Obwohl der Effekt bei vielen Kristallen natürlich auftritt, ist er oft äußerst schwach. Vor diesem Hintergrund gibt es verschiedene Ansätze, die Wirkung zu verstärken, beispielsweise durch die Kombination verschiedener Materialien und ihrer Strukturen im Mikro- und Nanomaßstab. Die Universität Paderborn hat auf diesem Gebiet in den vergangenen Jahrzehnten intensiv und erfolgreich geforscht.

Ein Schwerpunkt dieser Forschung zur Photonik sind Metamaterialien und insbesondere Metaoberflächen. Dabei werden strukturierte Elemente im Nanometerbereich auf ein dünnes Substrat aufgebracht, das dann mit einfallendem Licht wechselwirkt und beispielsweise optische Resonanzen erzeugt. Mit einer längeren Dauer und einem stärkeren Fokus kann das Licht effizienter höhere Harmonische erzeugen.

In einer interdisziplinären Zusammenarbeit arbeiten die Forschungsgruppen von Professor Cedrik Meier (Nanophotonik & Nanomaterialien), Professor Thomas Zentgraf (Ultraschnelle Nanophotonik) und Professor Jens Förstner (Theoretische Elektrotechnik) an der Universität Paderborn im Rahmen der Verbundforschung „Tailored Nonlinear Photonics“ zusammen Zentrum/Transregio 142 entwickelt einen innovativen Ansatz zur effizienteren Erzeugung höherer Harmonischer. Durch gezielt proportionierte Anwendungen mikroskopisch kleiner elliptischer Zylinder aus Silizium können sie den Fano-Effekt nutzen – einen besonderen physikalischen Mechanismus, bei dem sich mehrere Resonanzen gegenseitig verstärken.

Die Forscher ermittelten zunächst mittels digitaler Simulation die idealen geometrischen Parameter und untersuchten die zugrunde liegende Physik. Anschließend erstellten sie mithilfe modernster Lithographieverfahren Nanostrukturen und führten optische Untersuchungen durch. Sie konnten sowohl theoretisch als auch experimentell nachweisen, dass dadurch dritte Harmonische – also Licht mit der dreifachen Frequenz des einfallenden Lichts – viel effizienter erzeugt werden können als mit bisher bekannten Strukturen.