Fabrication and characterization of three-dimensional deterministic aperiodic structures - optical transport and localization in structures between order and disorder
Final Report Abstract
Ziel des Vorhabens war es, zu untersuchen, ob der Transport von Licht in ungeordneten (nichtperiodischen) Strukturen Abhängigkeiten von der Struktur aufweist. Entgegen der Erwartung, dass Unordnung generell zu Mehrfachstreuung und damit zu diffusivem Transport führt, konnten wir deutliche Unterschiede im Transportverhalten je nach aperiodisch-deterministischer Folge beobachten, obwohl alle Strukturen den gleichen effektiven Brechungsindex aufwiesen. Die Fibonacci-Folge mit ihrem „pure-point“ Fourierspektrum zeigte dabei den schwächsten diffusiven Transport, die Rudin-Shapiro-Folge mit ihrem absolut kontinuierlichen Fourierspektrum laterale Andersonlokalisierung und damit sogar stärkeres Lokalisierungsverhalten als Strukturen, die mit zufällig erzeugten Variationen versehen waren. Die Thue-Morse Folge, mit ihrem singulär kontinuierlichen Fourierspektrum zwischen den beiden anderen Folgen angesiedelt, zeigte auch im Transportverhalten Werte, die zwischen Fibonacci und Rudin-Shapiro liegen. Für diese Untersuchungen wurden erstmals nahezu verzerrungsfreie dreidimensionale Strukturen mit Abmessungen von bis zu 140 µm x 140 µm x 200 µm mittels dreidimensionaler Laserlithographie hergestellt. Schlüssel zum Erfolg war ein Ausgleichsgitter unter den Strukturen, das die unvermeidliche Schrumpfung aufnimmt und in einem zweiten Lithographieschritt komplett durchpolymerisiert wird, so dass die Strukturen auf einem massiven Sockel stehen, der die optischen Eigenschaften nicht beeinträchtigt. Zudem wurden mikrooptische Elemente um die Strukturen entworfen, die Spektroskopie nicht nur senkrecht zum Substrat sondern auch parallel dazu erlauben. Erstmals konnten durch den Einsatz eines Focal-Plane-Array-Detektors spektral aufgelöste Modenverteilung auf den photonischen Strukturen sichtbar gemacht werden, die Rückschlüsse auf das Transportverhalten zuließen.
Publications
- 3D deterministic aperiodic structures, SinoGFOS, 19.03.-23.03.2014, Kunming, China
M. Renner and G. von Freymann
- Light Propagation in 3D Deterministic Aperiodic Tilings, 35th Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS), 25.-28.08.2014, Guangzhou (Canton), China
M. Renner and G. von Freymann
- Transverse Mode Localization in Three-Dimensional Deterministic Aperiodic Structures, Advanced Optical Materials 2, 226 (2014)
M. Renner and G. von Freymann
(See online at https://doi.org/10.1002/adom.201300494) - Wave propagation in 3D DAS, Workshop ZIK SiliNano, 16.07.-17.07.2014, Halle, Germany
M. Renner und G. von Freymann
- Spatial correlations and optical properties in three-dimensional deterministic aperiodic structures, Scientific Reports 5, 13129 (2015)
M. Renner and G. von Freymann
(See online at https://doi.org/10.1038/srep13129) - Three-Dimensional µ-Printing: An Enabling Technology, Advanced Optical Materials 3, 1488 (2015)
J. K. Hohmann, M. Renner, E. H. Waller, and G. von Freymann
(See online at https://doi.org/10.1002/adom.201500328) - Transport in 3D Photonic Crystals with Tailored Disorder, MRS Spring Meeting 2015, 6.-11.4.2015, San Francisco, USA
M. Renner and G. von Freymann
