Meta-Faseroptik - Strukturierung von Licht durch 3D nano-gedruckte Meta-Optik auf Designer-Mehrelement-Fasern

• Antragsteller: Professor Dr. Markus A. Schmidt; Professor Leonardo de Souza Menezes, Ph.D., seit 1/2024
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 470816443

Die starke Fokussierung von Licht spielt bei vielen Anwendungen eine wesentliche Rolle und ist insbesondere für optische Pinzetten und die Laser-Scanning-Mikroskopie relevant. Hier zeigen gängige Mikroskope Einschränkungen hinsichtlich Flexibilität und Integrierbarkeit, Kontrolle der Wellenfronten und der Bereitstellung von fokussiertem Licht über weite Distanzen. Bis heute gibt es keine zuverlässige Lösung, welche eine flexible Zufuhr und Sammlung von stark fokussiertem Licht über weite Distanzen ermöglicht.Diesbezüglich ermöglichen optische Fasern mit Single-Mode (SM) Kernen einen flexiblen und kontrollierten Lichttransport, wobei aufgrund der Divergenz des Ausgangsstrahls keine Fokussierung möglich ist. Verbesserungsversuche durch Nano- und Mikrostrukturierung der Faserendfläche ergaben numerischen Aperturen (NAs) von maximal 0.7.Meta-Oberflächen sind ultradünne photonische Elemente, welche eine komplette Kontrolle von Wellenfronten ermöglichen und wurden Meta-Oberflächen auf Faserspitzen realisiert, wobei eine starke Fokussierung mit hohen NA-Werten nicht erreicht werden konnte. Diesbzgl. Konnten die Antragsteller kürzlich zeigen, dass 3D-nanogedruckte Meta-Linsen mit NAs von bis zu 0.88 mit SM-Fasern kombiniert werden können. Die einzigartigen Fokussierungseigenschaften wurden nachgewiesen, indem Mikropartikel und Bakterien erstmalig mit einer einzelnen SM-Faser gefangen werden konnten. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Kombination von nanogedruckten Meta-Linsen mit SM-Fasern eine neuartige Plattform - die Meta-Faser-Plattform - zur beugungsbegrenzten Fokussierung über weite Distanzen definiert.Die Idee dieses Projekts besteht darin, die Licht/Materie-Wechselwirkung des Meta-Faser-Konzepts zu untersuchen und die anwendungsbezogenen Eigenschaften experimentell aufzudecken. Konkret zielt das Projekt darauf ab, 3D-nanogedruckte Meta-Linsen unter Bezugnahme der Eigenschaften der Fasern, welche einen oder mehrere SM-Kerne und spezielle Sektionen zur Strahlaufweitung beinhalten, zu realisieren und zu untersuchen. Einerseits umfasst das Projekt grundlegende Studien zur Licht-Materiewechselwirkung in solchen Systemen unter Berücksichtigung der Besonderheiten der Faserumgebung. Die praktische Relevanz von Meta-Fasern soll andererseits durch Experimente bezüglich optischer Pinzetten (dynamisches und statisches Single- und Multi-Site-Trapping) und Rastermikroskopie (konfokal und STED) demonstriert werden. Hierdurch soll geklärt werden, ob der Meta-Faser-Ansatz es ermöglicht, Freistrahloptiken durch integrierte Faserlösungen zu ersetzen. Insgesamt wird dieses Projekt das Potenzial von Meta-Fasern aufzeigen und zu einer neuen Klasse integrierter, flexibler und kompakter photonischer Element mit einzigartigen Eigenschaften hinsichtlich der Lichtfokussierung über lange Distanzen führen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Stefan Maier, bis 12/2023