Optische Polarisation und Kohärenz in Nanostrukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Klas Lindfors, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 324399575

Die Kohärenzeigenschaften des Lichts spielen eine wichtige Rolle sowohl in der Grundlagenforschung als auch in der Technologie. Optische Kohärenz manifestiert sich in Korrelationen zwischen elektrischen Feldkomponenten. Korrelationen zwischen Feldkomponenten eines Raum-Zeit Punktes beschreiben die Polarisationseigenschaften des Lichts. Die Polarisation sollte deshalb als ein statistisches Konzept betrachtet werden, das gleichberechtigt mit zeitlicher und räumlicher Kohärenz behandelt werden muss, welche mit Korrelationen zwischen Feldkomponenten an zwei Raum-Zeit-Positionen zusammenhängen.Die Polarisation des Lichts ist in einer großen Vielfalt von optischen Phänomenen von Bedeutung. Dies reicht von Transmission, Reflexion und Streuung des Lichts bis zur polarimetrischen Bildgebung von Szenen und quantenmechanischen Auswahlregeln von atomaren und molekularen Übergängen. Bis vor kurzem war das Studium der optischen Polarisation auf paraxiale elektromagnetische Felder beschränkt gewesen. Mit dem Aufkommen von Nanooptik und Plasmonik sind Nanostrukturen (d. h. subwellenlängen Strukturen), in deren Nähe dreidimensionale (3D) optische Felder vorliegen, ein hochaktuelles Forschungsgebiet geworden. Der entscheidende Unterschied zwischen den optischen Feldern in subwellenlängen Strukturen und im freien Raum ist ihre 3D-Natur. Die Theorie der Kohärenz von 3D-elektromagnetischen Feldern gehört daher zu einem der wichtigsten Themen der theoretischen Forschungen. Trotz spannender theoretischer Vorhersagen wie, z. B. ungewöhnlich kurzer und langer Kohärenzlängen, polarisierter und kohärenter Wärmestrahlung und der Abhängigkeit der Anderson-Lokalisierung des Lichts von der vektoriellen Natur der optischen Felder wurden experimentelle Untersuchungen zu den statistischen Eigenschaften des Lichts in Nanostrukturen bisher selten durchgeführt.Im vorgeschlagenen Projekt werden wir ein optisches Rastersonden-Polarimetrieverfahren entwickeln, um die Polarisationseigenschaften von dreidimensionalen optischen Feldern zu untersuchen. Wir werden es einsetzen um insbesondere die optischen Eigenschaften von plasmonischen Nanostrukturen zu studieren. Die Ziele der geplanten Forschung sind: die Abbildung der vollständigen 3D-Polarisationseigenschaften des Lichts mit subwellenlängen räumlicher Auflösung zum ersten Mal aufzuzeigen; zu erforschen, wie teilweise kohärentes Licht die Moden von einzelnen einfachen plasmonischen Strukturen, wie plasmonische Nano-Antennen, anregt und um die Kohärenzeigenschaften von optischen Feldern auf Meta-Oberflächen zu studieren. Das Erreichen dieser Ziele wird zu bedeutenden Fortschritte auf dem Gebiet der Nano-Optik führen und wird in High-Impact-Publikationen veröffentlicht.Das Projekt hat das Potenzial ein neues Forschungsgebiet im Bereich der Nano-Optik zu öffnen und bislang unerforschte Aspekte von optischen Feldern zu studieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen