Radial-beschleunigte Lichtwellen

• Antragsteller: Professor Alexander Szameit, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 329130931

Das Ziel des vorliegenden Projektes ist es, sogenannte Radially Self-Accelerating Beams (RABs) zu studieren. Unsere Forschung wird dabei sowohl theoretische als auch experimentelle Aspekte abdecken und widmet sich folgenden Fragestellungen: (1) Wie ändern sich die physikalischen Eigenschaften dieser Strahlen unter starker Fokussierung? (2) Ist eine energetisch effiziente Erzeugung möglich? (3) Lassen sich mithilfe numerischer Verfahren gezielt angestrebte Strahlprofile finden? (4) Welche Vorteile ergeben sich für die Lasermaterialbearbeitung, insbesondere im Hinblick auf Bohr-Anwendungen und Photo-Lithographie? (5) Ist es möglich mit Hilfe von RABs Nanopartikel oder sogar lebender Zellen in flüssiger Umgebung aktiv zu beeinflussen?Die Beantwortung dieser Fragen wird den direkten technologischen Einsatz RABs in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen ermöglichen. Bisher wurden RABs nur unter Verwendung einfacher, schwach-fokussierender Linsensysteme demonstriert. Für nahezu alle Anwendung sind jedoch hohe Intensitäten ohne unerwünschten Wärmeeintrag erforderlich, was nur mittels stark fokussierender Objektive gewährleistet werden kann. Dieses neue Regime, in welchem unerwartete Phänomene auftreten können, muss jedoch erst theoretisch erfasst werden (1). Neben der Fokussierung spielt auch die effiziente Erzeugung eine Rolle. Bisherige Verfahren nutzen i.A. nur einen geringen Anteil des eingestrahlten Lichtes zur eigentlichen Strahlformung. Wir planen mit einem innovativen Versuchsaufbau die Strahlformung wesentlich effizienter zu gestalten (2). Zusätzlich kann es nötig werden, komplexe Strahlprofile zu erzeugen. Zwar besitzen RABs die erforderliche Flexibilität, doch kann es im Einzelfall schwierig sein von einem gewünschten Profil durch analytische Verfahren auf die benötigten Strahlparameter zu schließen. Unter Einsatz neuartiger, numerischer Optimierungsverfahren planen wir diese Probleme zu überwinden und einen Code zu entwickeln welcher nach Vorgabe eines gewünschten Profils die erforderlichen Parameter ermittelt (3). Im Anschluss an die Bearbeitung dieser Themen steht die Anwendung von RABs zum Bohren spiralförmiger Löcher und zur Erzeugung photo-lithographischer Strukturen im Vordergrund (4). Hier ist das erworbene Wissen zur Skalierung (1), effizienten Erzeugung (2) und Optimierung (3) von herausragender Bedeutung. Da in diesem Zusammenhang auch spektral breite Ultrakurzpulslaser zum Einsatz kommen werden, muss zudem die Frage geklärt werden inwiefern sich RABs mit nicht-monochromatischem Licht erzeugen lassen. Gegen Projektende ist darüber hinaus geplant, mithilfe des spiralförmigen Strahlprofils eine optische Archimedische Spirale zu generieren, mit welcher sich Nanopartikel bidirektional bewegen ließen (5). Mit Hilfe eines solchen Werkzeuges könnten kontinuierliche Partikelströmungen erzeugt und mittels Trägheit nach Größe sortiert werden. Denkbar wäre in diesem Zusammenhang auch die Beeinflussung biologischer Zellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen