Lokalisierte in-line-Abscheidung metallischer Nanostrukturen in hybriden optischen Fasern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Gegenstand des Projektes war die Untersuchung neuartiger optischer Faserwellenleiter als Schlüsselkomponenten moderner photonischer Technologien. Die Lichtführung wird dabei dadurch erreicht, dass die elektromagnetische Welle durch einen dielektrischen Gradienten quer begrenzt wird. Dies wird üblicherweise durch Faserkonstruktionen aus einem lichtführenden Kern und einem diesen begrenzenden Mantel realisiert; die hierfür zur Verfügung stehenden Materialkombinationen sind jedoch hinsichtlich des erreichbaren Brechzahlgradienten sehr begrenzt. Im vorliegenden Vorhaben wurden daher sogenannten Hybridfasern betrachtet, Fasern also, die mindestens zwei grundsätzlich unterschiedliche Materialien verbinden - als Faserkern und -mantel oder, wie hier insbesondere, als lichtführendes Material und plasmonisch aktive Phase. Derartige hybride Fasern wurden unter Zuhilfenahme der druckunterstützten Infiltration von Mikrokapillaren und des Co-Verziehens von Stab-Rohr-Verbünden erzeugt, wofür neuartige Glastypen zum Einsatz kamen, die die Ausscheidung nanoskaliger, plasmonisch aktiver Silber- und Goldpartikel ermöglichten. Grundlage dafür war ein verbessertes Verständnis der strukturellen, rheologischen und optischen Eigenschaften entsprechender Kerngläser, der Fabrikationsmethodik sowie der Implementierung in funktionale photonische Systeme. Dies erforderte sowohl grundlegende glaschemische Arbeiten, als auch Arbeiten zu Entstehung und Eigenschaftsbildung plasmonischer Nanostrukturen, Untersuchungen zur Herstellung von Faserwellenleitern, sowie die experimentelle wie auch computergestützte Konzeption funktionaler photonischer Wellenleiter. Im Projekt konnte die prinzipielle Eignung des Ansatzes zur Modifikation der modalen Wellenleitereigenschaften gezeigt werden. Insbesondere wurde nachgewiesen, inwieweit sich Materialdispersion und Gruppengeschwindigkeitsdispersion durch das Wachstum von Nanopartikeln gezielt beeinflussen lassen. Experimente an komplexen polyionischen Gläsern zeigten, dass es durch das Einbringen von zusätzlichen Moden in das System durch modale Hybridisierung zu Resonanzen im Spektrum der fundamentalen Glaskernmode kommt. Durch detaillierte Untersuchungen von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen konnten am Beispiel derartiger Gläser Clusterbildungsprozesse unter Verwendung von Ag-Ce- Redoxpaaren aufgeklärt werden; das gewonnene glaschemische Verständnis trägt dazu bei, entsprechende extern getriggerte Wachstumsprozesse nanoskaliger plasmonisch aktiver Strukturen für konkrete Faserbauteile zu erschließen. Die Stabin-Rohr-Methode liefert hierzu ein zusätzliches Fabrikationsverfahren, welches zudem eine Trennung von lichtführendem Faserkern und plasmonisch funktionalisiertem Kern-Mantel-Interface ermöglicht. Der Ansatz zum extern getriggerten Wachstum von Nanopartikel in Fasern zu Modifikation der Wellenleiterdispersion eröffnet somit grundsätzlich die Realisierung von Dispersionslandschaften jenseits dessen, was typischerweise verfügbar ist. So wird es prinzipiell möglich, eine sich longitudinal verändernde Dispersion entlang einer Faser zu realisieren, was beispielsweise für die Erzeugung von Superkontinua mit einer flachen Verteilung der spektralen Dichte bedeutsam ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Permanent structural anisotropy in a hybrid fiber optical waveguide. Appl. Phys. Lett. 111, 201901 (2017)
X. Yang, G. Scannell, C. Jain, B. P. Rodrigues, M. A. Schmidt, L. Wondraczek
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Bending losses and modal properties of nano bore optical fibers. Opt. Lett. 43, 4192 (2018)
K. Schaarschmidt, S. Weidlich, D. Reul, M. A. Schmidt
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Analysis of viscosity data in As2Se3, Se and Se95Te5chalcogenide melts using the pressure assisted melt filling technique. J. Non-Crystal. Solid. 511, 100 (2019)
J. Barták, P. Koštál, D. Valdé, J. Málek, T. Wieduwilt, J. Kobelke, M. A. Schmidt
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Convectionless directional solidification in an extremely confined sample geometry. Materialia 8, 100457 (2019)
K. Reuther, M. Seyring, M. A. Schmidt, M. Rettenmayr
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Fluoride-sulfophosphate/silica hybrid fiber as a platform for optically active materials. Front. Mater. 6, 148 (2019)
W. C. Wang, X. Yang, T. Wieduwilt, M. A. Schmidt, Q. Y. Zhang, L. Wondraczek
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Verfahren zur Herstellung lateral Licht abstahlender Glasfasern und danach hergestellte Glasfasern. DE 102,019,004,113 A1 (Patentanmeldung, 06/2019)
J. Schröder, L. Wondraczek
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Ultrafast intermodal third harmonic generation in liquid core step index fiber filled with C2Cl4. Opt. Exp. 28, 25037 (2020)
K. Schaarschmidt, J. Kobelke, S. Nolte, T. Meyer, M. A. Schmidt
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Role of Ag+ ions in determining Ce3+ Optical Properties in Fluorophosphate and Sulfophosphate Glasses. ACS Omega 6, 30093-30107 (2021)
R. Zhou, C. Calahoo, Y. Ding, L. Wondraczek
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Structural origin of the optical properties of Ag doped fluorophosphate and sulfophosphate glasses. J. Phys. Chem. B 125, 637-656 (2021)
R. Zhou, C. Calahoo, Y. Ding, X. Yang, C. P. Romao, L. Wondraczek
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Non-resonant luminescence enhancement in sol-gel coatings for broadband UV-light conversion on sideemitting optical fibers. Opt. Mater. Express 12, 2318-2331 (2022)
J. Schröder, A. Reupert, L. Wondraczek
